JPH03232562A - 超音波発生装置および超音波霧化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、超音波発生装置およびそれを用いて液中に超
音波を放射し、液面から霧を発生させる超音波霧化装置
に関し、特に、医療用吸入器、家庭用超音波加湿器など
に好適な超音波発生装置およびそれを用いる超音波霧化
装置に関する。

（従来の技術） 従来、超音波霧化装置として、液体を収容している霧化
室と、該霧化室の液体に超音波を放射する超音波発生手
段とを備え、前記超音波発生手段は、一方の面が前記液
体中に漬けられている円板状の圧電セラミック振動子を
有するものがある。

従来の超音波霧化装置の駆動時、圧電セラミック振動子
に駆動信号が印加される。圧電セラミック振動子は励振
され、その一方の面から超音波が放射される。前記超音
波は液中を伝搬し、液体の液面から霧が発生する。

（発明が解決しようとする課題） しかし、液面から発生する霧は、液面の上方に向けて移
動しながら水平方向に拡散するから、所定の方向に霧を
導くことができず、霧を所定の方向に導くための媒体の
流れを別に形成する必要がある。

本発明の目的は、指向性を有する霧の流れを形成するこ
とができる超音波発生装置およびそれを用いる超音波霧
化装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の超音波発生装置は、分極軸に垂直な両面に電極
が形成されている板状の圧電磁器を有する振動子と、前
記圧電磁器の一方の面に固着されている固着部および該
固着部に一体的に連なりかつ前記圧電磁器の外方に向け
て該圧電磁器の一方の面にほぼ平行に突出する振動部を
有する振動板とを備え、前記振動板の振動部にその厚さ
方向に貫通する複数の孔が設けられている。

前記孔はオリフィスであることが好ましい。

前記振動部の共振周波数は前記振動子の共振周波数に等
しく、前記振動部の突出方向に沿う長さ寸法は、前記振
動部に発生する振動の４分の１波長の１倍または奇数倍
であることが好ましい。

本発明は、霧化室に収容されている液体に超音波を放射
し、液体の液面から霧を発生させる超音波霧化装置であ
って、請求項１に記載の超音波発生装置を備え、前記超
音波発生装置は前記振動部が前記液面に対向しかつ前記
液面に接触する位置に配置されている。

他の本発明は、霧化室に収容されている液体に超音波を
放射し、液体の液面から霧を発生させる超音波霧化装置
であって、請求項１に記載の超音波発生装置を備え、前
記超音波発生装！の振動部の少なくとも１部は前記液体
に漬けられている。

さらに他の本発明は、霧化室に滴下される液体を霧化さ
せる超音波霧化装置であって、請求項１に記載の超音波
発生装置を備え、前記超音波発生装置の振動部の一方の
面は前記滴下される液体に接触する。

（作用） 本発明の超音波発生装置の使用時、前記振動子にはその
電極を介して前記振動子の共振周波数に等しい周波数の
交流信号が印加され、前記振動子は励振される。前記振
動板の固着部が前記圧電磁器の一方の面に固着されてい
ることにより、前記振動部は前記固着部を固定端とする
片持ち梁の形で屈曲振動するから、前記振動部の両面か
らそれぞれの面に垂直な方向に超音波が放射される。

前記振動部が桶などに収容されている液体の液面に対向
し、かつ該液面に接触しているとき、前記振動部はその
前記液面に対向する一方の面を前記液面に接触させなが
ら屈曲振動するから、前記液体は前記振動部の複数の孔
に流入し、該孔中の液体は前記振動部の他方の面上に流
出する。その結果、前記振動部の他方の面上に位置する
液体は該振動部の振動によって霧状の液滴に変化し、該
液適は前記振動部の他方の面から放射される超音波によ
って鉛直方向上方に向けて移動される。

また、前記孔がオリフィスであることにより、前記孔の
液体の通過面積が入口側から出口側に向けて減少するか
ら、前記液体が前記孔を通過するときに前記液体は前記
孔によって絞り作用を受ける。その結果、前記絞り作用
と前記振動部の振動との相乗効果によって液体の霧化作
用が促進され、霧状の液滴の発生量が増加しかつ液滴の
粒径が均一になる。

前記振動部の少なくとも１部分が液体内に漬けられてい
るとき、超音波は前記振動部の液体内に位置する各面か
ら液体中に放射されるから、前記振動部近傍の液面から
霧状の液滴が発生し、該液滴は気体中に放射されている
超音波によってほぼその放射方向に移動される。その結
果、前記振動部の液面に対する角度を調整することによ
って前記液滴の移動方向を決定することができる。

前記振動部の一方の面に液体を滴下するとき、前記振動
部の一方の面に接触する液体は前記振動部の振動によっ
て瞬時に霧化され、前記液体は霧状の液滴に変化する。

超音波が前記振動部の一方の面からその垂直方向に放射
されていることにより、前記霧状の液滴は前記超音波の
放射方向に移動されるから、前記振動部の一方の面の水
平面に対する角度を調整することによって前記液滴の移
動方向を決定することができる。

前記振動板の振動部の共振周波数が前記振動子の共振周
波数にほぼ等しいことにより、前記振動板の振動部はそ
の共振周波数に等しい周波数で振動されるから、前記振
動板の振動部から放射される超音波の周波数は振動部の
共振周波数にほぼ等しくなる。また、前記振動部の突出
方向に沿う長さ寸法が前記振動板に発生する振動の約４
分の１波長の１倍または奇数倍であることにより、前記
振動部の振動の腹が１つ以上になるから、前記振動部の
振動の腹に対応する部位から放射される超音波の強度は
大きくなり、霧状の液滴の発生量および該液滴の移動距
離を増加することができる。

（実施例） 第１図は本発明の超音波霧化装置の一実施例を示す縦断
面図、第２図は第１図の超音波霧化装置に用いられてい
る本発明の超音波発生装置の一実施例を示す平面図、第
３図は第２図の超音波発生装置の側面図、第４図は第２
図の超音波発生装置の振動部の一部を拡大して示す平面
図、第５図は第４図のＡ−Ａ線に沿って得られた断面図
である。

超音波霧化装置１０は、第１図に示すように、霧化室１
２を備える。ｌｉ化室１２は、矩形板状の底板１４と、
それぞれが対応する底板１４の縁部に一体的に連なり、
底板１４から垂直に立ち上がる４つの側板１６と、各側
板１６の上端縁部に連結され、底板１４および各側板１
６と共働して内部空間を規定する蓋板１８とを有する。

底板１４には、それから垂直に立ち上がる仕切り板２０
が設けられている。仕切り板２０は、各側板１６の内の
３つの側板および底板１４と共働して上方に開口する種
部を規定している。前記種部には、液体が収容され、該
液体の液面は仕切り板２０の上端縁部の近傍に位置する
。

蓋板１８には、鉛直方向に伸びる２つのノズル２２．２
４が設けられている。一方のノズル２２は円形の横断面
形状を有する。ノズル２２は蓋板１８のほぼ中央部に配
置されている。これに対し、ノズル２４は、蓋板１８の
前記水槽部に対向する位置に配置されている。

霧化室１２内には、超音波発生装置２６が収容されてい
る。超音波発生装置２６は、第２および第３図に示すよ
うに、振動子２８を備える。振動子２８は板状の圧電磁
器３０を有する０図示の例によれば、圧電磁器３０の平
面形状は矩形であり、その長さ寸法は３０ｍ＋、その幅
寸法は２５ｍ＋、その厚さ寸法は５圓である。圧電磁器
３０の両面はその厚さ方向に垂直であり、分極軸の方向
は厚さ方向に一致している。圧電磁器３０の材質はＴＤ
Ｋ９１Ａ　（製品名）材からなる。なお、本実施例では
板状の圧電磁器を用いているが、それに代えて柱状の圧
電磁器を用いることもできる。

圧電磁器３０の一方の面には電［ｉ３２が形成され、他
方の面には電１ｉ３４が形成されている。電極３２は圧
電磁器３０の一方の面を覆い、同様に、電極３４は圧電
磁器３０の他方の面を覆っている。

各電極３２．３４の材質は焼付銀からなる。電極３２に
は、銅箔からなる端子Ｐが取り付けられ、同様に、電［
ｉ３４には、銅箔からなる端子Ｑが取り付けられている
。端子Ｐおよび端子Ｑは圧電磁器３０の幅方向に沿う一
方の縁部に配置されている、振動子２８の共振周波数は
約５７　ｋＨｚである。

圧電磁器３０の一方の面には、振動板３６が取り付けら
れている０図示の例によれば、振動板３６は、燐青銅製
の矩形板からなり、細長い板状の固着部３８と、１つの
縁部が固着部３８の長手方向に沿う一方の縁部に一体的
に連なり、固着部３８と共働して矩形板を規定する長方
形板状の振動部４０とを有する。固着部３８はその長手
方向が圧電磁器３０の幅方向となるようにかつその一方
の面が圧電磁器３０の電極３２に対向するように電極３
２に接着剤４２で接着されている。接着剤４２はエポキ
シ樹脂系接着剤である。固着部３８の長さ寸法２５箇で
あり、その幅寸法は１０關であり、厚さ寸法は０．０４
１ｆｌ＋である。

振動部４０は、圧電磁器３０の幅方向に沿う他方の縁部
から直角な方向へ外方に向けて突出している。振動部４
０の長さ寸法は２５ｎｍであり、その幅寸法」は１４．
１ｍ＋であり、その厚さ寸法は０．０４菌である。振動
部４０には、第４図および第５図に示すように、その厚
さ方向に貫通する微細な複数の孔４４が設けられている
。なお、第２図および第３図においては、孔４４が省略
されている。

多孔４４は円形のオリフィスであり、その入口側の直径
寸法は０．１１ｆｌ＋であり、その出口側の直径寸法は
０．０３ｍｎである。多孔４４は等しいピッチで配列さ
れている。振動部４０の固有周波数は振動子２８の共振
周波数に等しい。

超音波発生装置２６は支持部材４６で支持され、その圧
電磁器３０は支持部材４６に固着されている。振動部４
０は前記種部の液体の液面およびノズル２２に対向して
いる。振動部４０の孔４４の入口側に対応する面は液面
に接触している。

超音波霧化装置１０の駆動時、振動子２８の共振周波数
に等しい周波数を有する交流信号を端子Ｐおよび端子Ｑ
を介して振動子２８に印加する。

振動子２８は励振され、振動板３６はその固着を固定端
とする片持ち梁の形で振動される。振動板３６の振動部
４０に生じる振動は波長を有する屈曲振動であり、振動
部４０の振動周波数は振動部４０の固有周波数に等しい
、振動部４０の振動によって超音波がそれぞれ振動部４
０の面からそれらに直交する方向に放射される。

振動部４０の寸法１とそれに生じる振動の波長λとは次
の（１）式の関係を満足することにより、振動部４０の
先端部位は振動の腹に対応するから、振動部４０の先端
部位から放射される超音波の強度は大きくなる。

ｊ＝１／４　・λ　　　　　　　　　（１）振動部４０
の振動に伴い、振動部４０の液面に接触している面と液
面との距離が変動するから、前記液体は振動部４０の多
孔４４に導かれる。

前記液体が多孔４４を通過するとき、多孔４４の液体の
通過面積はその入口側から出口側に向けて減少するから
、前記液体は孔４４によって絞り作用を受け、振動部４
０のノズル２２に対向する面側に流出する。その結果、
前記絞り作用と振動部４０の振動との相乗効果によって
孔４４から流出した液体は霧状の液滴に変化し、その霧
化率は高くなる。また、大きい強度を有する超音波が振
動部４０の先端部位に集中しているから、該先端部位に
おける霧化率はさらに高くなる。

霧化室１２の気体中にノズル２２に向けて放射されてい
る超音波は霧状の液滴を放射方向に移動させることによ
り、指向性を有する霧の流れが形成されるから、霧状の
液滴はノズル２２を経て外部に流出する。

霧状の液滴の発生に伴い、霧化室は内的液体の液位は低
下する。液体の液位の低下に伴い、振動部４０と液体の
液面との距離が変化するから、霧状液滴の発生量が変化
する。従って、霧状液滴の発生量を一定値に保つために
、ノズル２４から液体を供給し、かつ振動部４０と液体
の液面との距離を一定に維持する液位調整手段（図示せ
ず）を設けることが好ましい。

なお、本実施においては、孔４４を円形のオリフィスと
しているが、孔４４を他の形状のオリフィスとすること
もでき、また、孔４４を円形の孔とすることもできる。

超音波発生装置２６を用いて他の超音波霧化装置を提供
することができる。第６図は本発明の超音波霧化装置の
他の実施例を示す１ｌｌｌ！！ｒ面である。

他の超音波霧化装置４８は、第６図に示すように、底板
１４．４つの側板１６および蓋板１８を有する霧化室５
０を備える。霧化室５ｏの側板１６の１つには、水平方
向に伸びるノズル５２が設けられている。蓋板１８には
、鉛直方向に伸びるノズル５４が設けられている０Ｍ化
室５ｏには、液体が収容され、該液体の液面はノズル５
２の下方に位置する。

超音波発生装置２６は霧化室５０内に収容され、門形の
ブラケット５６で支持されている。超音波発生装置５０
は、振動板３６が液面に対して直角となるようにかつ振
動部４０の先端部位が液中に位置するように配置されて
いる。また、振動４０の一方の面はノズル５２に向けら
れている。

超音波霧化装置４８の駆動時、振動子２８には端子Ｐ、
Ｑを介して交流信号が印加され、振動子２８は励振され
る。振動板３６は振動し、超音波がそれぞれ振動部４０
の面からそれに直交する方向に放射される。

振動部４０の先端部位が液体中に漬けられていることに
より、超音波が液中に放射されるから、振動部４０の近
傍の液面から霧状の液滴が発生する。振動部４０の先端
部位には、大きな強度を有する超音波が集中するから、
液面から発生する霧状液滴の量が多くなる。

超音波が霧化室１２の気体中に振動部４０からノズル５
２に向けて放射されていることにより、霧状の液滴は前
記超音波の放射方向に移動されるから、霧状の液滴はノ
ズル５２を経て外部に流出する。その結果、指向性を有
する霧の流れが形成される。液体中に放射されている超
音波は、振動部４０の面に対向する側板１６に反射吸収
されることにより、応力が集中する底板１４と前記側板
１６との境界部位には大きな繰返し応力が作用しないか
ら、繰返し応力に起因するき裂などが霧化室１２に発生
せず、霧化室１２内の液体が外部に漏れる恐れがない。

霧状の液滴の発生に伴う振動部４０と液面との相対位置
関係の変動を防止するために、ノズル５４から液体が供
給され、液体の液位は一定に維持される。なお、本実施
例においては、振動板３６を液面に対して垂直に配置し
ているが、振動板３６を液面に対して斜めに配置するこ
とによって液面に対して斜め上方に向う霧の流れを形成
することができる。

なお、本実施例では、霧化室１２に収容されている液体
に超音波を放射することによって指向性を有する霧の流
れを形成することができる超音波霧化装置１０．４８が
示されているが、霧化室に配置されている超音波発生装
置２６の振動部４０の一方の面を斜め上方に向け、該一
方の面に液体を連続的に滴下することによって、指向性
を有する霧の流れが形成される超音波霧化装置を提供す
ることができる。

（発明の効果） 本発明の超音波発生装置によれば、前記振動部に複数の
孔が設けられていることにより、前記振動部の一方の面
を液面に対向させかつ該液面に接触させることによって
、前記振動部の他方の面から霧状の液滴が発生するから
、前記振動部の他方の面からの超音波によって鉛直方向
上方に向けて移動する液滴の流れを形成することができ
る。また、前記振動部の少なくとも一部を液体に漬ける
ことによって発生する霧状の液滴は、気体中に放射され
ている超音波によってその放射方向に移動されるから、
指向性を有する霧状液滴の流れを形成することができる
。さらに、前記振動部の一方の面に液体を滴下すること
によって発生する霧状の液滴は、前記振動部の一方の面
から放射されている超音波によってその放射方向に移動
されるから、指向性を有する霧状液滴の流れを形成する
ことができる。

また、前記振動部の一方の面が液面に対向しかつ接触し
ているとき、前記孔がオリフィスであることにより、前
記孔を通過する液体が鎖孔によって絞り作用を受けるか
ら、該絞り作用と前記振動部の振動との相乗効果によっ
て液体の霧化作用が促進され、霧状、液滴の発生量を増
加しかつ液滴の粒径をより均一化することができる。

前記振動部の共振周波数が前記振動子の共振周波数にほ
ぼ等しいことにより、前記振動板の振動部から放射され
る超音波の周波数は振動部の共振周波数にほぼ等しくな
るから、超音波を効率的に放射することができる。また
、前記振動部の突出方向に沿う長さ寸法が前記振動板に
発生する振動の約４分の１波長の１倍または奇数倍であ
ることにより、前記振動部の振動の腹に対応する部位か
ら放射される超音波の強度は大きくなるから、霧状の液
滴の発生量およびその移動距離が増加する。

本発明の超音波霧化装置によれば、前記振動部の一方の
面が液面に対向しかつ近接していることにより、前記振
動部の他方の面から霧状の液滴が発生するから、前記振
動部の他方の面から放射される超音波によって鉛直方向
上方に向う流れ方向を有する霧の流れを形成することが
できる。

他の本発明の超音波霧化装置によれば、前記振動部の少
なくとも一部が液体に漬けられていることにより、液体
中に放射されている超音波によって発生する霧状の液滴
は気体中に放射されている超音波によってその放射方向
に移動されるから、指向性を有する霧の流れを形成する
ことができる。

さらに他の本発明の超音波霧化装置によれば、液体を前
記振動部の一方の面に滴下することによって発生する霧
状の液滴は、前記振動部の一方の面から放射されている
超音波によってその放射方向に移動されるから、指向性
を有する霧状液滴の流れを形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波霧化装置の一実施例を示す縦断
面図、第２図は第１図の超音波霧化装置に用いられてい
る本発明の超音波発生装置の一実施例を示す平面図、第
３図は第３図は第２図の超音波発生装置の側面図、第４
図は第２図の超音波発生装置の振動部の一部を拡大して
示す平面図、第５図は第４図のＡ−Ａ線に沿って得られ
た断面図、第６図は本発明の超音波霧化装置の他の実施
例を示す＃１１＠面図である。 １０４８・・・超音波霧化装置、１２．５０・・・霧化
室、２６・・・超音波発生装置、２８・・・振動子、３
０・・・圧電磁器、３２．３４・・・電極、３６・・・
振動板、３８・・・固着部、４０・・・振動部、４４・
・・孔。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）分極軸に垂直な両面に電極が形成されている板状
   の圧電磁器を有する振動子と、前記圧電磁器の一方の面
   に固着されている固着部および該固着部に一体的に連な
   りかつ前記圧電磁器の外方に向けて該圧電磁器の一方の
   面にほぼ平行に突出する振動部を有する振動板とを備え
   、前記振動板の振動部にその厚さ方向に貫通する複数の
   孔が設けられている超音波発生装置。
2. （２）前記孔はオリフィスである請求項１に記載の超音
   波発生装置。
3. （３）前記振動部の共振周波数は前記振動子の共振周波
   数に等しく、前記振動部の突出方向に沿う長さ寸法は、
   前記振動部に発生する振動の４分の１波長の１倍または
   奇数倍である請求項１または２に記載の超音波発生装置
   。
4. （４）霧化室に収容されている液体に超音波を放射し、
   液体の液面から霧を発生させる超音波霧化装置であって
   、請求項１に記載の超音波発生装置を備え、前記超音波
   発生装置は前記振動部が前記液面に対向しかつ前記液面
   に接触する位置に配置されている超音波霧化装置。
5. （５）霧化室に収容されている液体に超音波を放射し、
   液体の液面から霧を発生させる超音波霧化装置であって
   、請求項１に記載の超音波発生装置を備え、前記超音波
   発生装置の振動部の少なくとも１部は前記液体に漬けら
   れている超音波霧化装置。
6. （６）霧化室に滴下される液体を霧化させる超音波霧化
   装置であって、請求項１に記載の超音波発生装置を備え
   、前記超音波発生装置の振動部の一方の面は前記滴下さ
   れる液体に接触する超音波霧化装置。