JP6158336B2 - 霧化装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶液を微細なミストに霧化（ミスト化）し、当該ミストを外部に搬送する霧化装置に関するものである。

超音波を利用して液体を霧化（ミスト化）する技術の歴史は古く、様々な霧化装置に関する技術が既に存在している。たとえば、送風機を使用して、ミスト化した溶液を空気によって輸送する技術が存在する。当該送風機を利用した装置は、安価であり、容易に大量のミストを外部へと送り出すことができる。

また、電子デバイスの作製の現場において、超音波霧化装置が利用されることもある。当該電子デバイス製造の分野では、超音波霧化装置は、超音波を利用して溶液をミスト化し、ミスト化された溶液を搬送ガスによって外部へと送り出す。当該外部に搬送された溶液（ミスト）が基板に噴霧されることにより、基板上には、電子デバイス用の薄膜が成膜される。

なお、本発明に関する先行文献として、たとえば特許文献１−５が存在する。

特許文献１，２，３に係る技術では、送風機の送風によりミストを、超音波霧化器から外部に取出している。また、特許文献４，５に係る技術では、搬送気体によりミストを、超音波霧化器から外部に取出している。

特開昭６０−１６２１４２号公報 特開平１１−１２３３５６号公報 特開２００９−２８５８２号公報 特開２００８−３００２６号公報 特開２０１１−１３１１４０号公報

電子デバイスの分野では、空気中の水分とミストとが反応すること、または大気中のゴミが混入することが、成膜における問題となる。よって、当該分野において、送風機を使用してミスト化した溶液を輸送し、当該ミストを用いて成膜処理を行うことは、好ましくない。

上記問題に鑑みて、上記超音波霧化装置において高純度ガス（または、ゴミや水分を取り除いたクリーンドライエア）が、ミストの搬送ガスとして採用される。ミストを基板に噴霧して成膜を行う場合には、成膜効率の観点から、より多くのミストを基板に供給することが必要である。当該多量ミストの供給の方法として、たとえば、搬送ガスの量を多くすることが考えられる。

しかしながら、ミストを輸送する搬送ガスの量を多くすると、ミストが勢い良く基板に吹き付けられる。これにより、ミストの基板に対する付着効率が低下したり、ミストの流れが乱れ成膜ムラが発生したりする。さらに、高純度ガスを多量に使用することは、高コスト化を招く。

そこで、本発明は、より少ない搬送ガスの量で、大量のミスト（高濃度のミスト）を外部に搬送することができる、霧化装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る霧化装置は、溶液をミスト化する霧化装置である。そして、霧化装置は、溶液が収容される容器と、溶液をミスト化するミスト化器と、容器内に配設され、内部が空洞である内部空洞構造体とを備える。さらに、霧化装置は、容器の上面に配設され、容器の内面と内部空洞構造体の外面とにより囲まれた空間であるガス供給空間にガスを供給する、ガス供給部と、前記内部空洞構造体の前記空洞と前記ガス供給空間とを接続し、前記ガス供給空間内に供給されたガスが前記内部空洞構造体の前記空洞に導入されるように設けられた接続部とを、備えている。前記ミスト化器は、前記溶液に対して超音波を印加する超音波振動子であって、前記超音波振動子は、前記容器の底面に配設されており、前記容器の前記底面と、前記内部空洞構造体の端部側との間に配設される、セパレータと、前記容器と前記セパレータとの間に形成される空間に収容される、超音波伝達媒体とを、さらに備えており、前記溶液は、前記セパレータの凹部底面上に収容され、前記内部空洞構造体は第１〜第３の部分空洞構造体を有し、前記第１〜第３の部分空洞構造体はそれぞれ内部が空洞であり、前記ガス供給空間は、前記容器の内面と前記第１〜第３の部分空洞構造体の外面とにより囲まれた空間であり、前記第１の部分空洞構造体は円筒形状を有し、前記容器の上面外側から、前記容器内にかけて形成され、前記第２の部分空洞構造体は、上端部が前記第１の部分空洞構造体の下端部に接続され、円錐台形状であり、上端側から下端側に向けて、末広がりの断面形状を有し、前記第３の部分空洞構造体は、上端部が前記第２の部分空洞構造体の下端部に接続され、円筒形状を有し、前記接続部は、前記第３の部分空洞構造体の側面部に穿設または切り欠きされている開口部、及び、前記第３の部分空洞構造体の下端部と前記セパレータの上端との間に設けられる空間のうちのいずれかであり、前記接続部近傍の前記ガス供給空間における、前記容器の内壁面と前記内部空洞構造体の前記第３の部分空洞構造体の外壁面との間の寸法は、前記ガス供給部近傍の前記ガス供給空間における、前記容器の内壁面と前記内部空洞構造体の前記第１の部分空洞構造体の外壁面との間の寸法よりも、小さい。

本発明に係る霧化装置は、容器内に内部空洞構造体が配設されており、ガス供給空間にガスを供給し、内部空洞構造体の空洞とガス供給空間とを接続する接続部が形成されている。

したがって、ガス供給空間内に供給されたガスは、当該ガス供給空間内に充満した後、接続部を介して、内部空洞構造体の空洞内へと移動する。よって、ガス供給空間内に比較的緩やかにガスが出力されたとしても、接続部からは、勢いの強いガスが出力される。つまり、本発明に係る霧化装置では、より少ないガスの容器内の供給により、大量のミスト状の溶液を、霧化装置外へと搬送することができる。

この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施の形態に係る霧化装置１００の構成を示す断面図である。 ミスト化空間３Ｈとガス供給空間１Ｈとを接続する接続部５の構成例を示す側面図である。 ミスト化空間３Ｈとガス供給空間１Ｈとを接続する接続部５の構成例を示す側面図である。 ミスト化空間３Ｈとガス供給空間１Ｈとを接続する接続部５の構成例を示す側面図である。 ミスト化空間３Ｈとガス供給空間１Ｈとを接続する接続部５の構成例を示す側面図である。 超音波振動子２の振動面（振動板）２ｐが傾いて配設されている様子を示す概略断面図である。 複数の超音波振動子２が環状に配設される様子を示す平面図である。 実施の形態に係る霧化装置１００の効果を説明する実験データを示す図である。 比較対象霧化装置２００の構成を示す断面図である。 複数の超音波振動子２が配設されることによる本発明の効果を説明する実験データを示す図である。

本発明は、溶液をミスト化する霧化装置に関するものである。

本発明では、溶液が収容される容器と、当該溶液をミスト化するミスト化器とを備えている。さらに、本発明に係る霧化装置は、容器内に挿通されるように当該容器内に配設されており、内部が空洞である内部空洞構造体を備える。当該内部空洞構造体が容器内に配設されることにより、当該容器内は、二つの空間が形成される。

つまり、当該内部空洞構造体の空洞（ミスト化空間）と、容器の内面と内部空洞構造体の外面とにより囲まれた空間（ガス供給空間）とによって、容器内は区分される。ここで、当該二つの空間（ミスト化空間およびガス供給空間）は、狭い通路である接続部を介して接続されている。

また、本発明に係る霧化装置は、容器に配設されるガス供給部を備えている。当該ガス供給部は、上記ガス供給空間にガスを供給する。

なお、当該霧化装置により霧化されたミストは、霧化装置外へと出力され、他の装置内において、電子デバイス（ＦＰＤ、太陽電池、ＬＥＤ、タッチパネル等）の成膜処理における原料等に利用される。

以下、本発明に係る霧化装置を、具体例である実施の形態を示す図面に基づいて詳細に説明する。

＜実施の形態＞
図１は、本実施の形態に係る霧化装置１００の断面構成を示す断面図である。

図１に示すように、霧化装置１００は、容器１、ミスト化器２、内部空洞構造体３およびガス供給部４を備えている。さらに、図１に例示する霧化装置１００は、セパレータ８、液面位置検知センサー１０および溶液供給部１１を備えている。

容器１は、内部に空間が形成される容器であれば、どのような形状であっても良い。図１に例示する霧化装置１００では、容器１は略円筒形状であり、容器１内には、内円周側面に囲まれた空間が形成されている。なお、後述するように、当該容器１内には、溶液が収容される。

また、本実施の形態では、ミスト化器２は、容器１内の溶液に対して超音波を印加することにより、当該溶液をミスト化（霧化）する超音波振動子２である。当該超音波振動子２は、容器１の底面に配設されている。また、超音波振動子２は、一つでも二つ以上であってもよいが、図１の構成例では、容器１の底面に複数の超音波振動子２が配設されている。

内部空洞構造体３は、内部に空洞を有する構造体である。容器１の上面部には、開口部が形成されており、図１に示すように、当該開口部を介して、内部空洞構造体３が容器１内に挿通されるように配設されている。ここで、開口部に内部空洞構造体３が挿通されている状態において、内部空洞構造体３と容器１との間は密閉されている。つまり、内部空洞構造体３と容器１の上記開口部との間は、シールされている。

内部空洞構造体３の形状は、内部に空洞が形成される形状のものであれば、どのような形状を採用しても良い。図１の構成例では、内部空洞構造体３は、底面を有さない、フラスコ形状を有している。より具体的に、図１に示す内部空洞構造体３では、管部３Ａと、円錐台部３Ｂと、円筒部３Ｃとから構成されている。

管部３Ａは、円筒形状の管路部であり、当該管部３Ａは、容器１の上面から挿通されるように、当該容器１外から当該容器１内へと至っている。より具体的には、管部３Ａは、容器１の外側に配設される上管部と、容器１に内に配設される下管部とに区分される。そして、上管部は、容器１の上面外側から取り付けられ、下管部は、容器１の上面内側から取り付られており、これらが取り付けられている状態において、上管部と下管部とは、容器１の上面に配設された開口部を通じて、連通している。管部３Ａの一方端は、容器１の外に存する、たとえば薄膜成膜装置内へと接続される。他方、管部３Ａの他方端は、容器１内において、上記円錐台部３Ｂの上端側に接続される。

当該円錐台部３Ｂは、外観（側壁面）が円錐台形状であり、内部には空洞が形成されている。上記円錐台部３Ｂは、上面および底面が開放されている（つまり、内部に形成されている空洞を閉じる、上面および底面を有さない）。円錐台部３Ｂは、容器１内に存しており、当該円錐台部３Ｂの上端側は、上記の通り、管部３Ａの他方端と接続（連通）されており、当該円錐台部３Ｂの下端部側は、円筒部３Ｃの上端側と接続されている。

ここで、円錐台部３Ｂは、上端側から下端側に向けて、末広がりの断面形状を有する。つまり、円錐台部３Ｂの上端側の側壁の径が最も小さく（管部３Ａの径と同じ）、円錐台部３Ｂの下端側の側壁の径が最も大きく（円筒部３Ｃの径と同じ）、円錐台部３Ｂの側壁の径は、上端側から下端側に向けて、滑らかに大きくなる。

円筒部３Ｃは、円筒形状を有する部分であり、当該円筒部３Ｃの高さは、円錐台部３Ｂの高さと比較して小さい。当該円筒部３Ｃの上端側は、上記の通り、円錐台部３Ｂの下端側と接続（連通）されており、円筒部３Ｃの下端側は、容器１の底面に面している。ここで、図１の構成例では、円筒部３Ｃの下端側は、解放されている（つまり、底面を有さない）。

ここで、図１の構成例では、内部空洞構造体３における、管部３Ａから円錐台部３Ｂを経て円筒部３Ｃへと延びる方向の中心軸は、容器１の円筒形状の中心軸と略一致している。なお、内部空洞構造体３は一体構造であっても、図１に示すように、管部３Ａの一部を構成する上管部、管部３Ａの他部を構成する下管部、円錐台部３Ｂおよび円筒部３Ｃの各部材を組み合わせて構成されても良い。図１の構成例では、容器１の外上面に上管部の下端部が接続され、容器１の内上面に下管部の上端部が接続され、当該下管部の下端部に、円錐台部３Ｂおよび円筒部３Ｃから成る部材が接続されることにより、複数の部材から成る内部空洞構造体３が構成されている。

上記形状の内部空洞構造体３が容器１の内部に挿通されるように配設されることにより、容器１内は、二つの空間に区分される。つまり、内部空洞構造体３の内部に形成される空洞部（つまり、内部空洞構造体３の内側面により囲まれた空間であり、以下、ミスト化空間３Ｈと称する）と、容器１の内面と内部空洞構造体３の外側面とにより形成される空間（以下、ガス供給空間１Ｈと称する）とに、容器１内は区画される。

また、ミスト化空間３Ｈとガス供給空間１Ｈとを接続する、隙間である接続部５が形成されている。図１の構成例では、当該接続部５は、内部空洞構造体３の下端側に配設されている。つまり、図１の構成例では、接続部５は、内部空洞構造体３の下端部と、後述するセパレータ８の上面の一部とにより、構成されている。ここで、当該接続部５の開口寸法は、０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。

ここで、ミスト化空間３Ｈとガス供給空間１Ｈとを接続する接続部５として、様々構成を採用することができる（側面図である図２〜５参照）。たとえば、内部空洞構造体３の側面に、小さな（開口寸法が０．１ｍｍ〜１０ｍｍ）孔３ｆを穿設することにより、上記接続部５を形成することもできる（図２）。この場合、図２の構成例とは異なるが、内部空洞構造体３の底面を形成し、当該底面を後述するセパレータ８として機能させても良い。また、当該孔３ｆを内部空洞構造体３の側面に設ける場合には、容器１の底面に近い側に設ける方が好ましい。また、当該孔３ｆは、点在して均等に、内部空洞構造体３の側面に穿設しても良く、内部空洞構造体３の側面に、環状のスリットを穿設させることにより、接続部５を形成しても良い。

図１の構成例では、図３の側面図に示すように、接続部５は、内部空洞構造体３の下端部とセパレータ８の上端部との間に形成されており、環状のスリットである。また、図４，５に示すように、内部空洞構造体３の下端部側面に、小さな（開口寸法が０．１ｍｍ〜１０ｍｍ）切り欠き３ｇを穿設することにより、上記接続部５を形成することもできる。ここで、図４の構成では、内部空洞構造体３の下端部は、液面１５Ａよりも上側に存している。他方、図５の構成では、内部空洞構造体３の下端部は、溶液１５内に浸っており、切り欠き３ｇの一部は溶液１５内に存しており、切り欠き３ｇの他部は液面１５Ａより上に存している（当該切り欠き部３ｇの他部が、接続部５として機能する）。また、図４，５における切り欠き３ｇは、点在して均等に、内部空洞構造体３の下端部側面に形成されている。

接続部５の形状、配設位置は任意に選択できるが、当該接続部５は、溶液１５の液面１５Ａより上方に位置しており、当該液面１５Ａの近い位置に配設されていることが、好ましい。

また、図１の構成例では、上記内部空洞構造体３の形状と容器１の形状とから分かるように、ガス供給空間１Ｈは、容器１の上部側が最も広く、容器１の下側に進むに連れて、狭くなっている。つまり、管部３Ａの外側面と容器１の内側面とにより囲まれる部分のガス供給空間１Ｈが最も広く、円筒部３Ｃの外側面と容器１の内側面とに囲まれる部分のガス供給空間１Ｈが最も狭くなっている。

ガス供給部４は、容器１の上面に配設されている。ガス供給部４からは、超音波振動子２によりミスト化された溶液を、内部空洞構造体３の管部３Ａを介して外部へと搬送する搬送ガスが供給される。当該搬送ガスは、たとえば高濃度の不活性ガスを採用することができる。また、図１に示すように、ガス供給部４には、供給口４ａが設けられており、容器１内に存する供給口４ａから、搬送ガスが容器１のガス供給空間１Ｈ内に供給される。

ガス供給部４から供給された搬送ガスは、ガス供給空間１Ｈ内に供給され、当該ガス供給空間１Ｈ内に充満した後、上記接続部５を介して、ミスト化空間３Ｈへと導入される。ここで、搬送ガスは、ガス供給空間１Ｈ内で充満した後、狭い接続部５を介して、ミスト化空間３Ｈへと供給されるので、供給口４ａから出力される搬送ガスのガス速度よりも、接続部５から出力される搬送ガスのガス速度の方が高くなる。換言すれば、供給口４ａから搬送ガスを緩やかに出力したとしても、接続部５からミスト化空間３Ｈへと勢いよく搬送ガスが供給される。当該搬送ガスの流れをより際立たせるためには、以下の構成を採用することが望ましい。

たとえば、接続部５の開口部の開口面積は、ガス供給部４の供給口４ａの開口面積よりも小さいことが望ましい。または、接続部５近傍のガス供給空間１Ｈにおける、容器１の内壁面と内部空洞構造体３の外壁面との間の寸法が、ガス供給部４（供給口４ａ）近傍のガス供給空間１Ｈにおける、容器１の内壁面と内部空洞構造体３の外壁面との間の寸法よりも小さいことが望ましい。または、ガス供給部４の供給口４ａが、接続部５に面しているガス供給空間１Ｈ側に、直接的に面していないことが望ましい。たとえば、図１の構成例では、ガス供給部４の供給口４ａは、図１の紙面表裏方向に向いており、接続部５に面しているガス供給空間１Ｈ側（つまり、容器１の内壁と内部空洞構造体３の円筒部３Ｃの外壁とに囲まれた領域の、ガス供給空間１Ｈ側）には、向いていない。

また、本実施の形態に係る霧化装置１００では、容器１の底面と内部空洞構造体３の下端部側との間に、セパレータ８が配設されている。図１に示すように、当該セパレータ８は、カップ状である。つまり、セパレータ８は、凹部８Ａと、当該凹部８Ａの上端部に接続される平縁部８Ｂとを有する。

図１に示すように、セパレータ８の平縁部８Ｂは、上記凹部８Ａの上端部から容器１の内壁側に向かって延びる、環状の縁部であり、当該平縁部８Ｂの下面は、容器１内に配設される容器１の突起部１Ｄに固定されている。図１に示す構成例では、当該平縁部８Ｂと内部空洞構造体３の下端部との間において、接続部５が構成されている。

また、図１に示すように、セパレータ８の凹部８Ａの底面は、凹部８Ａの側面部から中央に向かって、緩やかに傾斜している。より具体的には、凹部８Ａの底面と容器１の底面との間の寸法は、凹部８Ａの側面から凹部８Ａの中央部に進むに連れて、徐々に小さくなる。

また、容器１の底面とセパレータ８の底面との間に形成される空間には、超音波伝達媒体９が充填されている。超音波伝達媒体９は、容器１の底面に配設された超音波振動子２から発生した超音波振動を、セパレータ８へと伝達する機能を有する。つまり、超音波伝達媒体９は、セパレータ８へと振動エネルギーを伝達できるように、容器１の底面とセパレータ８の底面との間に形成される空間内に、収容されている。セパレータ８へと効率的に超音波振動を伝達するために、超音波伝達媒体９として液体を採用することが好ましく、たとえば水を採用することができる。

また、セパレータ８の凹部８Ａの底面上には、ミスト化される溶液１５が収容されている。ここで、当該溶液１５の液面１５Ａは、接続部５の配設位置よりも下側に位置している（図１参照）。

ここで、図１に示す構成例において、セパレータ８および超音波伝達媒体９を省略した構成を採用することができる。この場合には、溶液１５は直接、容器１の底面上に収容される。なお、当該場合においても、当該溶液１５の液面１５Ａは、接続部５の配設位置よりも下側に位置している。

一方で、ミスト化される溶液１５が、例えばアルカリ性・酸性の強い液体であり、容器１の底面に配設される超音波振動子２に対する影響が懸念される場合には、図１に示すように、セパレータ８および超音波伝達媒体９を含む構成を採用することが望ましい。当該場合には、セパレータ８として、アルカリ性・酸性の強い溶液１５の影響を受けない（受けにくい）素材を採用する。

また、本実施の形態に係る霧化装置１００では、液面位置検知センサー１０および溶液供給部１１を備えている。

溶液供給部１１は、容器１および内部空洞構造体３を貫通して、溶液供給口は、容器１の底面側に配設されている。霧化装置１００の外側には、溶液１５が充填されているタンクが用意されており、溶液供給部１１は、溶液１５を、当該タンクから、セパレータ８へと（セパレータ８が無い構成では、容器１の底面へと）供給する。

ところで、超音波振動子２による溶液１５のミスト化を行う場合、ミスト化の効率が最も良い、液面１５Ａの位置（溶液１５の深さ）が存在する。そこで、当該液面１５Ａの位置が、ミスト化効率が最も良い位置で保持されるように、図１の構成例では、溶液供給部１１に加えて、液面位置検知センサー１０が配設されている。

当該液面位置検知センサー１０は、溶液１５の液面高さ位置を検知することができるセンサーである。液面位置検知センサー１０は、容器１および内部空洞構造体３を貫通しており、当該センサー１０の一部は、溶液１５に浸っている。液面位置検知センサー１０は、溶液１５の液面１５Ａの位置を検出している。溶液１５がミスト化され、霧化装置１００の外側へと搬送されると、溶液１５の液面１５Ａは低下する。そこで、液面位置検知センサー１０の検出結果が、溶液１５の上記ミスト化効率が最も良い位置となるように、溶液供給部１１は、容器１内に溶液１５を補充（供給）する。

つまり、液面位置検知センサー１０および溶液供給部１１の配設により、溶液１５の液面１５Ａの位置が、ミスト化効率が最も良い高さ位置となるように保持される。ここで、ミスト化効率が最も良い液面１５Ａの位置は、実験等により予め既知であり、霧化装置１００において、設定値として予めに設定されている。霧化装置１００は、当該設定値と液面位置検知センサー１０の検出結果とに基づいて、溶液供給部１１による溶液１５の供給を調整する。

なお、溶液１５を霧化する動作において、液面１５から液柱６が立ち、液面１５Ａが揺れ、正確な液面位置検知が困難となる場合もある。そこで、液面位置検知センサー１０の周囲にカバーを配設し、液面位置検知センサー１０周囲における液面１５Ａの揺らぎを防止することが望ましい。

容器１内の溶液１５は、超音波振動子２により微細に霧化され、ミスト状の溶液７は、内部空洞構造体３の内のミスト化空間３Ｈに充満する。そして、ミスト状の溶液７は、接続部５から出力される搬送ガスに乗って、内部空洞構造体３の管部３Ａを通って、霧化装置１００の外部へと出力される。

図１の構成例において、超音波伝達媒体９およびセパレータ８を介して、超音波振動子２が溶液１５に対して超音波振動を印加する。すると、図１に示すように、液面１５Ａから液柱６が立上り、溶液１５は、液粒およびミストへと移行する。ここで、液柱６が液面に対して垂直に立ちあがり、立ち上がった液柱６が超音波振動子２上に落ちると、ミスト化効率が低下する。

そこで、超音波振動子２の振動面（圧電素子）は、傾いて配設されている（図６の断面図参照）。図６は、超音波振動子２の概略構成を示しているが、当該図６に示すように、振動面（振動板）２ｐは、傾いて配設されている。つまり、液面１５Ａと当該振動面（振動板）２ｐとは、平行でない。換言すると、超音波振動子２で発生した振動エネルギーの伝搬方向は、液面１５に対して垂直とならないように、超音波振動子２を容器１に配設する。

また、超音波振動子２の数を増やすと、ミスト化効率も向上する。ここで、複数の超音波振動子２を容器１の底面に配設する場合には、ミスト化効率の低下を抑制するため、次のように配置させることが望ましい。

つまり、上記の通り、液柱６が液面１５Ａに対して垂直立ち上がらないように、各超音波振動子２の振動面は、溶液１５の液面１５Ａに対して傾いている。さらに、各超音波振動子２を、他の超音波振動子２により形成された溶液１５の液柱６からの液滴が、落下する下方位置には、配置させないようにする、ことが望ましい。これにより、各液柱６からの液滴等は、何れの超音波振動子２の上方に落下することがなく、ミスト化効率の低下を抑制できる。

複数の超音波振動子２を配設する場合には、ミスト化効率低下抑制の観点から、たとえば、各超音波振動子２を次のように配置させれば良い。つまり、溶液１５の下方において、各超音波振動子２を環状に、均等に、容器１の底面に配設する。ここで、当該環状の径は、極力大きい方が好ましい。たとえば、超音波振動子２の配設の様子を示す図７の平面図に示すように、セパレータ８の凹部８Ａの外周に沿って、各超音波振動子２を環状に点在して配設することが望ましい。さらに、各超音波振動子２の振動面２ｐは、当該環状の中心側（つまり、容器１の中心側）に向いて傾いている。ここで、図７において、図示している矢印は、液柱６を示している。

なお、容器１には、幾つかの部材が組み合わされることにより構成されており、当該容器１には、幾つかの部材が貫通・配設されている。当該構成の容器１は、容器１内の気密性が担保されるようにシール等がなされている。

次に、本実施の形態に係る霧化装置１００の動作について説明する。

まず、液面位置検知センサー１０による検出結果が、予め設定されている所定の液面位置となるように、溶液供給部１１は、外部からセパレータ８内に、溶液１５を供給する。そして、液面位置検知センサー１０による検出結果が上記所定の液面位置となった後、霧化装置１００は、超音波振動子２に対して高周波電源を供給する。これにより、超音波振動子２の振動面が振動する。

当該振動面の振動により発生した振動エネルギーは、超音波伝達水９およびセパレータ８を介して、溶液１５に伝播される。そして、当該振動エネルギーが溶液１５の液面１５Ａに到達する。超音波は、気体中において伝播しにくい。したがって、液面１５Ａに到達した振動エネルギーは、溶液１５の液面１５Ａを持ち上げて、液柱６が形成される。さらに、液柱６の先端部は、細かく引き千切られ、多数の微細なミストが生成される（図１における、ミスト状の溶液７参照）。

一方で、ミスト化空間３Ｈ内にミスト状の溶液７が充満している状態において、ガス供給部４は、外部からガス供給空間１Ｈ内に、搬送ガスを供給する。供給口４ａから供給された搬送ガスは、当該ガス供給空間１Ｈ内に充満した後、狭い開口部の接続部５を介して、ミスト化空間３Ｈへと移動する。

ここで、搬送ガスは、ガス供給空間１Ｈ内で充満した後、狭い接続部５を介して、ミスト化空間３Ｈへと出力される。したがって、供給口４ａから比較的緩やかに搬送ガスが出力されたとしても、接続部５からは、勢いの強い搬送ガスが出力される。

ミスト化空間３Ｈ内に充満しているミスト状の溶液７を、接続部５から出力された搬送ガスが、図１の下から上方向に向かって持ち上げる。そして、ミスト状の溶液７は、搬送ガスに乗って、内部空洞構造体３の管部３Ａを通って、霧化装置１００外へと出力される。

以上のように、本実施の形態に係る霧化装置１００では、内部空洞構造体が容器１内に挿通されるように配設されている。そして、これにより、容器１内に、ガス供給空間１Ｈおよびミスト化空間３Ｈが形成され、ガス供給空間１Ｈとミスト化空間３Ｈとは、狭い接続部５を介して接続されている。

したがって、ガス供給空間１Ｈ内に供給された搬送ガスは、当該ガス供給空間１Ｈ内に充満した後、狭い接続部５を介して、ミスト化空間３Ｈ内へと移動する。よって、供給口４ａから比較的緩やかに搬送ガスが出力されたとしても、接続部５からは、勢いの強い搬送ガスが出力される。つまり、本実施の形態に係る霧化装置１００では、より少ない搬送ガスの容器１内の供給により、大量のミスト状の溶液７（高濃度のミスト）を、霧化装置１００外へと搬送することができる。

このように、従来では、少ない搬送ガスで大量のミストを外部に出力できなかったが、本実施の形態に係る霧化装置１００では、ミスト状の溶液７を効率的に、霧化装置１００外部に出力することができる。

なお、本実施の形態に係る霧化装置１００の効果を確認する実験を行った。当該実験結果を、図８に示す。

図８は、搬送ガス流量とミスト状の溶液７（以下、ミストと称する）量との関係を示す、実験結果である。図８の縦軸は、平均霧化量（ｇ（グラム）／ｍｉｎ（分））であり、図８の横軸は、搬送ガス流量（Ｌ（リットル）／ｍｉｎ（分））である。また、図８において、「◆印」は、霧化装置１００に対する結果であり、「■印」は、比較対象霧化装置２００に対する結果である。

図９は、比較対象霧化装置２００の構成を示す断面図である。当該比較対象霧化装置２００は、霧化装置１００が備える内部空洞構造体３を、有さない。一方、比較対象霧化装置２００は、ミスト状の溶液７を外部へと搬送するための管部３０を有する。管部３０は、比較対象霧化装置２００の容器１の内部と接続されるように、容器１の上部に配設されている（図９参照）。

なお、上記構成の相違以外、霧化装置１００および比較対象霧化装置２００は、同じ構成であり、同様の動作を行う。

図８に示す実験では、搬送ガスの流量を変化させて、搬送ガスの流量毎に、所定時間内における外部溶液タンクの重量の変化（減少量）を計測した。霧化装置１００，２００では、液面位置検知センサー１０により、溶液１５の液面位置が一定に保持されているので、当該外部溶液タンクの重量変化が、霧化量であると把握できる。なお、当該外部溶液タンクの重量変化を、上記所定の時間で割った値が、図８の縦軸に示す平均霧化量（ｇ／ｍｉｎ）である。

図８に示す実験結果から分かるように、比較対象霧化装置２００と比較して、本実施の形態に係る霧化装置１００は、２割以上、ミスト状の溶液７を効率的に外部に搬送することができる。

また、本実施の形態に係る霧化装置１００では、接続部５の一部は、内部空洞構造体３の端部により構成されても良い。当該構成の場合、図１に示すように、接続部５は、内部空洞構造体３の下端部とセパレータ８の平縁部８Ｂとの間の隙間である。

したがって、当該接続部５の構成を採用する場合には、接続部５を通った搬送ガスは、ミスト状の溶液７のより下方向位置から、ミスト化空間３Ｈ内へと出力される。よって、霧化装置１００は、より効率良く、ミスト状の溶液７を外部へと搬送させることができる。

また、本実施の形態に係る霧化装置１００では、接続部５の開口部の開口面積を、ガス供給部４の供給口４ａの開口面積よりも小さくしても良い。または、霧化装置１００は、接続部５近傍のガス供給空間１Ｈにおける、容器１の内壁面と内部空洞構造体３の外壁面との間の寸法を、ガス供給部４近傍のガス供給空間１Ｈにおける、容器１の内壁面と内部空洞構造体３の外壁面との間の寸法よりも小さいくしても良い。または、ガス供給部４の供給口４ａは、接続部５に面しているガス供給空間１Ｈに、直接的に面していないようにしても良い。または、これらの各構成を任意に組み合わせても良い。

上記構成を採用することにより、霧化装置１００は、供給口４ａから搬送ガスを緩やかに出力したとしても、接続部５からミスト化空間３Ｈへと、より勢いよく搬送ガスを供給することができる。つまり、より少ない搬送ガスの量で、より多くのミスト状の溶液７を、外部へと出力することができる。

また、本実施の形態に係る霧化装置１００では、超音波振動子２は、容器１の底面に配設されている。そして、容器１の底面と内部空洞構造体３の端部側との間に、セパレータ８を配設されても良い。そして、当該セパレータ８を有する構成の場合には、容器１とセパレータ８との間に超音波伝達媒体９を満たし、ミスト化の対象となる溶液１５を、セパレータ８の上面に供給する。

このように、セパレータ８および超音波伝達媒体９を設ける構成を採用することにより、たとえ溶液１５が強酸性（または強アルカリ性）であったとしても、超音波振動子２に直接、当該溶液１５が晒されることが防止でき、効率良く、セパレータ８内の溶液１５へと振動エネルギーを伝搬することができる。

また、本実施の形態に係る霧化装置１００では、複数の超音波振動子２を配設させても良い。当該構成を採用した場合には、より効率良く、溶液１５をミスト化させることができる。

なお、複数の超音波振動子２を配設した場合の効果を確認する実験を行った。当該実験結果を、図１０に示す。

図１０は、超音波振動子２の数とミスト状の溶液７（以下、ミストと称する）量との関係を示す、実験結果である。図１０の縦軸は、平均霧化量（ｇ（グラム）／ｍｉｎ（分））であり、図１０の横軸は、配設される超音波振動子２の数（個）である。また、図１０において、「◆印」は、図１に示した本発明に係る霧化装置１００に対する結果であり、「■印」は、図９に示した比較対象霧化装置２００に対する結果である。なお、図９を用いて説明した構成の相違はあるものの、図１０に示す実験データを実施するに際して、両装置１００，２００の動作条件等は同じである。

図１０に示す実験では、霧化装置１００，２００に配設する超音波振動子２の数を変化させて、図８を用い説明したように、平均霧化量を測定した。

図１０に示す実験結果から分かるように、超音波振動子２の数を増加させるに連れて、本実施の形態に係る霧化装置１００は、比較対象霧化装置２００と比較して、ミスト状の溶液７をより効率的に生成することができる。したがって、霧化装置１００において複数の超音波振動子２を配設させことにより、霧化装置１００は、予期せぬ、顕著なミスト化効率の向上を奏することができる。

また、複数の超音波振動子２を容器１の底面に配設する場合、超音波振動子２の振動面は、溶液１５の液面に対して傾いており（図６参照）、各超音波振動子２は、他の超音波振動子２により形成された溶液１５の液柱６からの液滴が、落下する下方位置には、配設されていないことが望ましい。たとえば、複数の前記超音波振動子２を、容器１の底面において環状に配設し、各超音波振動子２の振動面を、当該環状の中心側に傾かせる（図７参照）。

上記構成を採用することにより、霧化装置１００は、複数の超音波振動子２を配設させたとしても、より効率良く溶液１５をミスト化させることができる。

また、本実施の形態に係る霧化装置１００は、液面位置検知センサー１０および溶液供給部１１を有し、液面位置検知センサー１０により検出される液面１５Ａの高さが、予め定められた所定位置（ミスト化が最も効率的に行える液面１５Ａの高さ）となるように、溶液供給部１１は、溶液１５を容器１内に供給させても良い。

当該構成を採用することにより、本実施の形態に係る霧化装置１００は、容器１内に収容される溶液１５の量（液面１５Ａの高さ）を、最もミスト化が効率良く行える位置に維持することができる。よって、霧化装置１００は、長時間に渡り継続的に、ミスト化効率が良い状況で、ミスト化を実施することが可能となる。

この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

１ 容器
１Ｈ ガス供給空間
２ ミスト化器（超音波振動子）
２ｐ 振動面（振動板）
３ 内部空洞構造体
３Ａ 管部
３Ｂ 円錐台部
３Ｃ 円筒部
３Ｈ ミスト化空間
３ｆ 孔
３ｇ 切り欠き
４ ガス供給部
４ａ 供給口
５ 接続部
６ 液柱
７ ミスト状の溶液
８ セパレータ
８Ａ 凹部
８Ｂ 平縁部
９ 超音波伝達媒体
１０ 液面位置検知センサー
１１ 溶液供給部
１５ 溶液
１５Ａ 液面
１００ 霧化装置

Claims (8)

1. 溶液（１５）をミスト化する霧化装置（１００）であって、
   前記溶液が収容される容器（１）と、
   前記溶液をミスト化するミスト化器（２）と、
   前記容器内に配設され、内部が空洞（３Ｈ）である内部空洞構造体（３）と、
   前記容器の上面に配設され、前記容器の内面と前記内部空洞構造体の外面とにより囲まれた空間であるガス供給空間（１Ｈ）にガスを供給する、ガス供給部（４）と、
   前記内部空洞構造体の前記空洞と前記ガス供給空間とを接続し、前記ガス供給空間内に供給されたガスが前記内部空洞構造体の前記空洞に導入されるように設けられた接続部（５）とを、備え、
   前記ミスト化器は、
   前記溶液に対して超音波を印加する超音波振動子であって、
   前記超音波振動子は、前記容器の底面に配設されており、
   前記容器の前記底面と、前記内部空洞構造体の端部側との間に配設される、セパレータ（８）と、
   前記容器と前記セパレータとの間に形成される空間に収容される、超音波伝達媒体（９）とを、さらに備えており、
   前記溶液は、
   前記セパレータの凹部底面上に収容され、
   前記内部空洞構造体は第１〜第３の部分空洞構造体（３Ａ〜３Ｃ）を有し、前記第１〜第３の部分空洞構造体はそれぞれ内部が空洞であり、前記ガス供給空間は、前記容器の内面と前記第１〜第３の部分空洞構造体の外面とにより囲まれた空間であり、
   前記第１の部分空洞構造体（３Ａ）は円筒形状を有し、前記容器の上面外側から、前記容器内にかけて形成され、
   前記第２の部分空洞構造体（３Ｂ）は、上端部が前記第１の部分空洞構造体の下端部に接続され、円錐台形状であり、上端側から下端側に向けて、末広がりの断面形状を有し、
   前記第３の部分空洞構造体（３Ｃ）は、上端部が前記第２の部分空洞構造体の下端部に接続され、円筒形状を有し、
   前記接続部は、前記第３の部分空洞構造体の側面部に穿設または切り欠きされている開口部（３ｆ，３ｇ）、及び、前記第３の部分空洞構造体の下端部と前記セパレータの上端との間に設けられる空間（５）のうちのいずれかであり、
   前記接続部近傍の前記ガス供給空間における、前記容器の内壁面と前記内部空洞構造体の前記第３の部分空洞構造体の外壁面との間の寸法は、
   前記ガス供給部近傍の前記ガス供給空間における、前記容器の内壁面と前記内部空洞構造体の前記第１の部分空洞構造体の外壁面との間の寸法よりも、小さい、
   ことを特徴とする霧化装置。
2. 前記接続部の開口部の開口面積は、前記ガス供給部の供給口の開口面積よりも、小さい、
   ことを特徴とする請求項１記載の霧化装置。
3. 前記ガス供給部の供給口は、
   前記接続部に面している前記ガス供給空間に、直接的に面していない、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の霧化装置。
4. 前記超音波振動子は、
   複数である、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の霧化装置。
5. 前記超音波振動子は、
   前記容器の底面に配設されており、
   前記超音波振動子の振動面は、
   前記溶液の液面に対して傾いており、
   各前記超音波振動子は、
   他の前記超音波振動子により形成された前記溶液の液柱（６）からの液滴が、落下する下方位置には、配設されていない、ことを特徴とする請求項４に記載の霧化装置。
6. 複数の前記超音波振動子は、
   前記容器の前記底面において、環状に配設されており、
   前記超音波振動子の前記振動面は、
   前記環状の中心側に傾いている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の霧化装置。
7. 前記溶液の液面（１５Ａ）高さ位置を検出する、液面位置検知センサー（１０）を、さらに備えている、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載の霧化装置。
8. 前記溶液を前記容器内に供給する溶液供給部（１１）を、さらに備えており、
   前記液面位置検知センサーにより検出される前記液面高さが、予め定められた所定位置となるように、前記溶液供給部は、前記溶液を前記容器内に供給する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の霧化装置。

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