JPH0133223B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、灯油、軽油などの液体燃料、水、薬
液、インクなどの種々の液体を微粒化するための
霧化装置に関し、さらに詳しく言えば、圧電セラ
ミツク等の圧電振動子により加圧室に充填された
液体を加振し、ノズルから噴射して微粒化すると
ころの噴射型霧化装置に関するものである。

従来例の構成とその問題点 従来、この種の霧化装置は主にインクジエツト
記録装置などのインク微粒化装置として用いられ
ており様々の構成のものが提案されている。また
近年では、第１図に示すような構成のものも提案
されている。

第１図において、ノズル１を有するノズル板２
は、円環状の圧電振動子３が接着され、加圧室４
を有するボデイー５に装着されている。

圧電振動子３のノズル板２に接着された面と、
その面に対向する面（図の左右の面）には図示し
ていないが電極が設けられており、この両電極間
に第２図のような交流電圧が供給されるとノズル
板２は図中の破線のようなたわみ振動を生じる。
この結果加圧室４内の液体が加圧されてノズル１
より霧化粒子６となつて噴射されるものであつ
た。また、噴射された液体に相当する容積の液体
が、タンク７より、パイプ８を経て加圧室４に吸
い上げられ、一種のポンプ作用を果すことができ
るものであつた。この作用は、ノズル１に発生す
る液体の表面張力により、ノズル１からの空気の
流入が阻止されるために生じるものである。

したがつて、ポンプなどの液体供給手段を要せ
ず、しかも均一性の高い微粒子をかなりの飛翔速
度で噴射できるというすぐれた特長を有するもの
であつた。

しかしながら、ノズル１を有するノズル板２に
対して、開口９を有する圧電振動子３を接着し、
この圧電振動子３の振動により第１図中の破線で
示すようなたわみ振動を励起することが必要であ
るので、その振動部分は複雑な構造の振動体とな
らざるを得なかつた。したがつて、圧電振動子３
の機械的な振動をノズル板２に効率的に伝えるこ
とが難しく、結果として圧電振動子３はかなりの
高い電圧で励振することが必要であり、電力損失
が大きくなるばかりでなく、信頼性の低下を余儀
なくされていた。特に、小さい粒径の霧化粒子６
を得ようとするとノズル１の直径は小さなものと
ならざるを得ず、このためノズル１の加工上の問
題からノズル板２の厚さは非常に薄いものとなつ
ていた。このため、圧電振動子３の振動を効率的
にノズル板に伝達することが一層困難となつてい
た。

また、第１図に破線で示した振動姿態から明ら
かなように、ノズル板２の中央部のノズル１が設
けられている部分が大きく励振されることにより
加圧室４内の液体の圧力が部分的に上昇し、ノズ
ル１から液体が噴射されるという構成であるの
で、ノズル板２の中央部の励振がかなりの大きさ
で行われないと安定に噴霧できないものであつ
た。したがつて、圧電振動子３の振動を効率的に
ノズル板２の中央部に伝達するよう構成すること
は、極めて重要であつたが、前述したような振動
部分の構造の複雑さのために極めて難しく、圧電
振動子３をかなりの高電圧（例えば100〜200V）
で駆動せざるを得なかつた。

このような理由により、圧電振動子３の過負荷
による信頼性の低下が生じたり、消費電力が大き
くなつたりするという欠点があつた。また、大電
力を圧電振動子に供給することが必要であるので
駆動回路が大型化・高価格化するという欠点があ
つた。

発明の目的 本発明は、このような従来の欠点を一掃した霧
化装置を提供するものである。

その目的とするところは、圧電振動子の振動を
極めて効率的にノズル板に伝達することができ、
したがつて、電力消費が非常に少なく、かつ、高
い信頼性を保証することができるうえに、極めて
低価格な霧化装置を提供することである。

発明の構成 本発明は、上記目的を達成するために、以下に
述べる構成により成るものである。

すなわち、円形開口を有する円板状圧電振動子
と、中央にノズルを有するノズル板とを相互に装
着して構成した振動体を、加圧室にノズルが臨む
ようボデイーに装着すると共に、前記開口の直径
が、振動体と等価な円板の節円の直径にほぼ等し
くなるよう構成したものである。この構成によ
り、圧電振動子の振動は、極めて効率的にノズル
板に伝達され、ノズルが設けられたノズル板の中
央部は非常に安定で効率的な振動を行い、加圧室
内の液体が部分的に加圧されてノズルから噴射さ
れ、微粒化されるものである。

実施例の説明 以下、本発明の一実施例について図面と共に説
明する。

第３図は本発明の一実施例を示す霧化装置の断
面図である。

第３図において、霧化部１０は、直径が約10
mm、深さ１〜５mmの円筒状の加圧室１１を有する
ボデイー１２と、直径50〜100μｍのノズル１３
を複数個有し、厚さ約50μｍのノズル板１４と、
直径約４mmの円形開口１５を有し、外径約10mm、
厚さ約１mmの圧電セラミツク１６とを図のように
相互に接着して構成されており、ビス１７にて取
付板１８に取付られている。

加圧室１１は、その底面１９を中心軸とする貫
通孔２０により、供給管２１、および排気管２２
に接続され液体が加圧室に供給されるよう構成さ
れている。供給管２１は、タンク２３に接続され
ており動作停止時は、液面ＡおよびＢは図のよう
に同一の高さになつている。

排気パイプ２２は、フアン２４の吸込側に図の
ように接続されている。フアン２４が起動される
と、その吸込側には負圧力−Ｐが発生し、この負
圧力−Ｐは排気管２２を介して加圧室１１、およ
び供給管２１に伝えられる。この負圧力−Ｐの発
生により、ノズル１３からわずかな空気流入が生
じるけれども、ノズル１３の直径が小さいので液
面Ｂにはほとんどそのままの大きさの負圧力−Ｐ
が印加される。この結果液面Ｂは上昇して図中の
液面Ｃとなつてつり合うのである。

この時、液面ＢとＣの間の高さの差をｈ、液体
の比重をρとするとき、Ｐ＝ｈ・ρである。

このようにして加圧室１１に液体が充填された
後、圧電セラミツク１６には、第２図のような交
流電圧がリード線２５，２６を介して供給され
る。

圧電セラミツク１６のリード線２５が半田付さ
れている面とノズル板１４に接着されている面と
には図示していないけれども電極が設けられてお
り、前述した交流電圧は、この電極間に供給され
るよう構成されている。

この交流電圧の供給により、圧電セラミツク１
６とノズル板１４より構成される振動体２７は、
図中の破線のように振動し、加圧室１１内の液体
は、特にノズル１３が設けられた中央部分で大き
く加圧される。この結果、ノズル１３からは、微
小な液滴２８が図のように放射状に噴射されるの
である。このように液滴２８が放射状に噴射され
るのは、ノズル１３がノズル板１４の中央に設け
た球殻状の突起２９上に位置するよう設けられて
いるためである。

ここで霧化部１０について第４図を参照してさ
らに詳しく説明する。

第４図ａおよびｂは、霧化部１０の正面図と拡
大断面図であり、第３図と同符号は相当する構造
物である。

第４図ａの図中に矢印で示すように、圧電セラ
ミツク１６は、前述した交流電圧が供給される
と、その直径方向に伸縮歪を生じ、いわゆる圧電
横効果による径方向振動を行う。

圧電セラミツク１６は、同図ｂに示すように、
ノズル板１４に片面が接着された非対称バイモル
フ構造の振動体２７を形成している。したがつ
て、同図中に破線で示すように、前述した圧電セ
ラミツク１６の径方向振動は、いわゆるたわみ振
動に変換されるのである。

第５図ａ、およびｂは、このたわみ振動の様子
を説明するものであつて、第４図と同符号は相当
する構造体である。第５図ａは、第５図ｂに示し
た断面の直径方向の位置ｘに対するたわみ振動の
振幅δの分布を示すものである。同図において振
幅δが原点０に対して正負の極性で示されている
が、これは、振動の位相を示すものであつて、ｘ
＝0.38を境界点として、振動位相が逆転している
ことを示しており、この点ｘ＝0.38が振動の節に
なつているのである。すなわち、同図ａ，ｂを参
照すると明らかなように、振動体２７の固定端で
ある加圧室１１の内径Ｄに対し、圧電セラミツク
１６の内径（すなわち開口１５の直径）ｄは、
ｄ／Ｄ＝0.4となるよう構成されており、しかも、
振動体２７の振動の節である節円の直径D′は、
D′／Ｄ＝0.38となるように構成されているのであ
る。

第６図は、この比開口直径ｄ／Ｄを変化させた
とき、ノズル板１４の中央部の突起２９の振幅δ
がどのように変化するかを示したものである。図
より明らかなように、比開口直径ｄ／Ｄ≒0.4程
度にすることにより、極めて効率的なノズル板１
４の励振を行うことができることを示している。

第７図ａ，ｂおよびｃは、この効率のよいノズ
ル板の励振を行うことができる理由を説明する図
であつて、第４図と同符号のものは相当する構造
物である。

第７図ａにおけるノズル板１４と圧電セラミツ
ク１６より成る振動体２７は、同図ｂに示すよう
な周辺固定された等価円板２７′と考えることが
できる。もちろん、圧電セラミツク１６の外径
d′が、加圧室の内径Ｄにほぼ一致するよう構成さ
れ、しかもその外周上端は固定されず、ノズル板
１４と接着された外周下端のみが固定されている
状態であるので、厳密な意味では、周辺固定円板
ではないけれども、ほぼ同図ｂのような周辺固定
円板と考えて扱うことができる。

このような周辺固定円板の自由振動の共振周波
数における振動姿態は、第１共振周波数f_r1、お
よび第２共振周波数f_r2に対して、同図ｃに示す
ようになり、それぞれ１次、および２次のモード
を示している。すなわち、第２共振周波数f_r2（２
次モード）における節円の直径は、その固定円板
の外径ＤをＤ＝１とするとき、0.38となるのであ
る。

このように、周辺固定された円板の自由振動の
共振周波数f_r2（２次モード）における節円直径
0.38にほぼ一致するように、圧電セラミツク１６
の開口１５の直径ｄを構成することにより、同図
ｂに示したような周辺固定円板と等価な振動状態
を実現することができるのである。

第８図ａ，ｂ，ｃおよびｄは、振動体２７の振
動系の整合を説明する図であつて第４図と同符号
は相当する構造物である。

第８図ａに示した振動体２７は、同図ｂにモデ
ル的に示す圧電セラミツク１６の内径ｄより外側
の部分Ｖと、同図ｃに示した内側の部分Ｌとに分
けて考えることができ、Ｖが駆動力を発生する駆
動体、Ｌが被駆動体（すなわち負荷）と考えるこ
とができる。そして、同図ｄに示すように、圧電
セラミツク１６により発生する駆動力Ｓは、駆動
体ＶのインピーダンスZ_vを介して、負荷Ｌのイン
ピーダンスZ_Lに力を伝達する。この駆動体Ｖと負
荷Ｌの整合は、内径ｄに相当する端子d_S1，d_S2を
介して行われ、この点でのインピーダンス整合が
安定で効率的な負荷Ｌへの力の伝達を可能とし、
結果として、ノズル板の安定で効率の良い振動を
励起することができる。

このような振動系の整合を行うためには、端子
d_S1，d_S2に相当する圧電セラミツク１６の内径ｄ
の近傍に振動の節（すなわち節円）が生じるよう
構成することが必要であり、第５図ａ，ｂに示し
た振動状態はこれを示すものである。

さらに、第７図ａ，ｂおよびｃで示したよう
に、本発明の霧化装置の振動体２７は、その節円
直径ｄの位置が、等価な周辺固定円板２７の自由
振動の第２の共振周波数f_r2（２次モード）におけ
る節円の位置とほぼ一致するように構成されてい
る。

すなわち、本発明になる霧化装置の振動体２７
は、その節円の位置が、圧電セラミツク１６の開
口１５の直径ｄにほぼ等しい位置となるよう構成
されており、しかも、この開口直径ｄは、振動体
２７に等価な周辺固定円板の自由振動の共振周波
数における節円の位置とほぼ一致するよう構成さ
れているのである。

したがつて、第８図ａ，ｂ，ｃおよびｄに示し
た振動系２７の駆動体Ｖと負荷Ｌとの機械インピ
ーダンス整合を良好に行うことができ、かつ、圧
電セラミツク１６の持つ駆動力を最も良好に負荷
であるノズル板１４に伝達することができるので
ある。

以上に述べた本発明になる第５図ａ，ｂのよう
な構成による霧化装置により、極めて安定で、か
つ、効率のよい液体の噴霧を行うことができ、例
えば、液体として灯油を用いた場合、圧電セラミ
ツク１６に対する供給電圧が40〜50V、入力電力
が約0.3ワツトで、毎分40c.c.程度の噴密量を得る
ことが可能であつた。

このように、極めて小さい入力電力での微粒化
が可能となるので、圧電セラミツクの信頼性が大
幅に向上する上に、省エネルギー性に富み、しか
も駆動回路も大電力を扱う必要がないので簡単で
低価格なものでよく、霧化装置を非常に簡単でコ
ンパクトな構造とし、かつ低価格なものとするこ
とができる。

なお、本発明の霧化装置が、第７図ｃに示した
第１共振周波数f_r1における１次モードの振動姿
態でなく、第２共振周波数f_r2における２次モー
ドの振動姿態を実現する構成であるもう１つの理
由は、灯油などのようにキヤビテーシヨン気泡の
発生しやすい液体を微粒化する場合、加圧室１１
内の液体の流れを、発生するキヤビテーシヨン気
泡が加圧室１１から排気管２２に良好に排出され
るような流れになるようにするためである。

以上に述べた実施例では、振動体２７は、ほぼ
周辺固定となるように構成しているが、必ずしも
周辺固定でなく、例えば、周辺支持などであつて
もよく、また、２次モードの振動姿態でなく、よ
り高次モードであつてもよい。

発明の効果 以上に述べたように本発明によれば、円形開口
を有する円板圧電振動子とノズル板とより成る振
動体と等価な円板の節円の直径と前記円形開口の
直径とがほぼ等しくなるように構成したので、圧
電振動子の振動を極めて安定に、しかも非常に効
率良くノズル板に伝達し、良好な噴霧性能で液体
をノズルから噴霧することができ、したがつて、
極めて高い信頼性を保証し、かつ、低消費電力で
コンパクトであり、低価格な霧化装置を実現する
ことができるので、その工業的価値は非常に大き
いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の霧化装置の断面図、第２図は圧
電セラミツクの駆動電圧波形図、第３図は本発明
の一実施例の霧化装置の断面図、第４図ａ，ｂは
同霧化装置の霧化部の正面図、拡大断面図、第５
図ａ，ｂは同霧化部の振動体の振動振幅分布図、
断面図、第６図は比開口直径ｄ／Ｄに対するノズ
ル板中央部の振幅δの変化を説明する特性図、第
７図ａ，ｂ，ｃは同振動体の断面図、等価周辺固
定円板の断面図、第１・第２共振周波数における
１次・２次の振動モード図、第８図ａ，ｂ，ｃ，
ｄは同振動体の断面図、同振動体のモデル化した
駆動体の断面図、同モデル化した負荷（被駆動
体）の断面図、同振動体の機械インピーダンス整
合回路図である。 １１……加圧室、１２……ボデイー、１３……
ノズル、１４……ノズル板、１５……開口、１６
……圧電振動子、２７……振動体（１４……ノズ
ル板、１６……圧電振動子）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 円形の開口を有する円板状圧電振動子と、中
   央にノズルを有するノズル板とを相互に装着した
   振動体と、液体が充填される加圧室を有するボデ
   イーとより成り、前記ノズルが前記加圧室に臨む
   よう前記振動体を前記ボデイーに装着すると共
   に、前記開口の直径が、前記振動体と等価な円板
   の節円直径にほぼ等しくなるよう構成した霧化装
   置。 ２ 振動体をほぼ周辺固定条件となるよう前記ボ
   デイーに装着し、前記開口の直径が等価周辺固定
   円板の節円直径に略等しくなるよう構成した特許
   請求の範囲第１項に記載の霧化装置。 ３ 開口の直径が、等価円板の２次モード振動に
   おける節円直径にほぼ等しくなるよう構成した特
   許請求の範囲第１項または第２項に記載の霧化装
   置。