JPH05185032A

JPH05185032A - 超音波振動板

Info

Publication number: JPH05185032A
Application number: JP2565892A
Authority: JP
Inventors: Koji Toda; 耕司戸田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-01-16
Filing date: 1992-01-16
Publication date: 1993-07-27

Abstract

(57)【要約】【目的】圧電振動子から機械振動を伝達されることに
より、超音波振動をする多孔振動板を提供する。【構成】多孔振動板１に圧電振動子５を固着させた超
音波発生素子において、端子Ｐ、Ｑを介して交流電圧を
印加すると、圧電振動子５が機械振動をする。その機械
振動は固着部３から多孔振動板１に伝搬され、振動部４
が振動する。振動部４には多数の微小な孔が設けられて
いるので、振動部４に液体を供給すれば、その液体はそ
の孔の作用により振動部４の上方に霧化される。【効果】構造が簡単で小型、軽量である。超音波霧化
装置に応用された場合、霧化効率、多量霧化、粒子の微
小性かつ均一性を向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高周波電圧で励振され
該高周波電圧の周波数で機械振動をする圧電振動子の１
つの端面に表面の一部が固着され、残部が前記圧電振動
子の前記端面にほぼ平行に配置されることによって、前
記機械振動を前記圧電振動子から伝達されて超音波振動
をする振動板に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波振動板の応用例の１つとして超音
波霧化装置がある。従来の超音波霧化装置としては、ボ
ルト締ランジュバン型振動子を応用した超音波霧化装置
およびネブライザーが挙げられる。ボルト締ランジュバ
ン型振動子による霧化装置は数１０kHzという周波数の
超音波を利用したもので、多量の霧を発生しうるという
長所を有するが、構造が複雑で素子が大がかりであると
いう短所をあわせもつ。一方、ネブライザーは、MHz領
域の超音波を利用したもので、粒子が微小で均一性に優
れるという長所を有するものの、霧化効率が悪く低電力
で多量の霧を発生させるのが難しいという短所をもつ。
つまり、従来の超音波霧化装置では、霧化効率、多量霧
化、粒子の微小性または駆動電源コストのいずれかにお
いて難点があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の超音波霧化装置
では、霧化効率、低電力での多量霧化、粒子の微小性ま
たは駆動電源コストのいずれかにおいて難点があった。

【０００４】本発明の目的は、霧化効率、多量霧化、粒
子の微小性かつ均一性、装置が小型かつ軽量であるこ
と、構造が簡単であることおよび駆動電源コストのどの
面からみても満足のできる超音波霧化装置の一部を成す
超音波振動板を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の超音波
振動板は、高周波電圧で励振され該高周波電圧の周波数
で機械振動をする圧電振動子の１つの端面に表面の一部
が固着され、残部が前記圧電振動子の前記端面にほぼ平
行に配置されることによって、前記機械振動を前記圧電
振動子から伝達されて超音波振動をする振動板であっ
て、前記残部が振動部を成し、前記振動部には多数の孔
が設けてあることを特徴とする。

【０００６】請求項２に記載の超音波振動板は、前記孔
における前記振動部の一方の開口面積と他方の開口面積
とが互いに異なることを特徴とする。

【０００７】請求項３に記載の超音波振動板は、前記振
動部の少なくとも一方の端面における前記孔には、開口
面積に関して少なくとも２種類あることを特徴とする。

【０００８】請求項４に記載の超音波振動板は、前記圧
電振動子と固着されることにより形成される複合体の共
振周波数のうちの１つが、該圧電振動子の共振周波数の
うちの１つにほぼ等しいことを特徴とする。

【０００９】請求項５に記載の超音波振動板は、前記圧
電振動子と固着されることにより形成される複合体にお
ける２つの共振周波数の中間値が、該圧電振動子の共振
周波数にほぼ等しいことを特徴とする。

【００１０】請求項６に記載の超音波振動板は、前記振
動部の厚さ方向に垂直な断面における長さと幅の寸法比
がほぼ１に等しいことを特徴とする。

【００１１】請求項７に記載の超音波振動板は、厚さ方
向に貫通された貫通穴を有する前記圧電振動子の該貫通
穴の開口を覆う位置または該貫通穴の内部に前記固着部
が固着され、前記振動部が該固着部に囲まれた円板、矩
形板、またはその他の板であることを特徴とする。

【００１２】請求項８に記載の超音波振動板は、厚さ方
向に垂直な断面における長さと幅の寸法比がほぼ１に等
しい矩形状の板であることを特徴とする。

【００１３】

【作用】請求項１に記載の超音波振動板は、その表面の
一部に固着している圧電振動子に高周波電圧が印加され
ることにより超音波振動をする。前記圧電振動子に高周
波電圧が印加されると、前記圧電振動子は励振され前記
高周波電圧の周波数で機械振動をする。前記圧電振動子
が本発明の超音波振動板に固着されているので、前記機
械振動は超音波振動板に伝達される。このようにして、
本発明の超音波振動板は前記機械振動を前記圧電振動子
から伝達されることによって超音波振動をする。超音波
振動板に前記圧電振動子を設けた上で、超音波振動板に
適当な給水手段を施すことにより超音波霧化装置が形成
される。前記超音波霧化装置の使用時、前記圧電振動子
には超音波振動板と前記圧電振動子との複合体の共振周
波数にほぼ等しい周波数の交流信号が印加され、前記圧
電振動子は励振される。前記圧電振動子の励振は超音波
振動板を振動させ、超音波振動板に供給された液体は霧
化される。この際、超音波振動板には多数の孔が設けら
れていることから、前記液体は前記孔の効果により微小
かつ均一な粒子の霧となる。従って、本発明の超音波振
動板の採用によりこのように簡単な構造の超音波霧化装
置が形成されるから、該装置の小型、軽量化が可能で、
しかも高い効率で液体を霧化することができる。

【００１４】請求項２に記載の超音波振動板は、前記孔
における前記振動部の一方の開口面積が他方の開口面積
より大きいから、その開口面積の大きい方の開口を液体
の入口側とし他方の開口を出口側とすることができる。
超音波振動板の下面に供給された液体は前記孔の前記入
口を通過して超音波振動板の上面の前記出口から上部に
放出される。このとき、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、
霧の発生量が増加しかつ粒子の径が均一になる。

【００１５】請求項３に記載の超音波振動板は、前記孔
の入口側または出口側の開口面積に関して少なくとも２
種類ある。従って、数種類の大きさの粒子を有する霧を
同時に発生させることができるばかりでなく、種類に応
じた大きさの粒子を有する霧を別々に発生させることも
可能である。

【００１６】請求項４に記載の超音波振動板は、前記圧
電振動子と固着されることにより形成される複合体の共
振周波数のうちの１つが、該圧電振動子の共振周波数の
うちの１つにほぼ等しいことから、その共通の共振周波
数の電圧を前記圧電振動子に印加することにより、超音
波振動板は効率的に励振され、霧化効率が促進され、霧
の発生量はさらに増大する。

【００１７】請求項５に記載の超音波振動板は、前記圧
電振動子と固着されることにより形成される複合体にお
ける２つの共振周波数の中間値が、該圧電振動子の共振
周波数にほぼ等しいことから、その共通の共振周波数の
電圧を前記圧電振動子に印加することにより、超音波振
動板は効率的に励振され、霧化効率が促進され、霧の発
生量はさらに増大する。

【００１８】請求項６に記載の超音波振動板は、前記振
動部の厚さ方向に垂直な断面における長さと幅の寸法比
がほぼ１に等しいことから、超音波振動板と前記圧電振
動子との複合体の結合振動が増強される。従って、前記
圧電振動子の励振が効果的に超音波振動板に伝達され
る。

【００１９】請求項７に記載の超音波振動板は、厚さ方
向に貫通された貫通穴を有する前記圧電振動子の該貫通
穴の開口を覆う位置または該貫通穴の内部に前記固着部
が固着され、前記振動部が該固着部に囲まれた円板、矩
形板、またはその他の板であることから、超音波振動板
は前記圧電振動子と一体となった結合振動をするから、
前記圧電振動子の振動エネルギーは効率良く超音波振動
板に伝搬し、超音波振動板を振動させる。

【００２０】請求項８に記載の超音波振動板は、厚さ方
向に垂直な断面における長さと幅の寸法比がほぼ１に等
しい矩形板であることから、前記圧電振動子の振動エネ
ルギーは効率良く超音波振動板に伝搬し、超音波振動板
を振動させる。

【００２１】

【実施例】図１は本発明の超音波振動板の一実施例を示
す断面図であって、端面に垂直な平面で切断したときに
現れる断面を示す。図２は図１における超音波振動板１
を一方の端面から見たときの部分拡大平面図である。超
音波振動板１にはその厚さ方向に貫通する微細な多数の
孔２が設けられている。孔２の形状はすり鉢状であっ
て、一方の端面における開口面積が他方の端面における
開口面積より大きいものをここでの実施例で用いてい
て、一方の開口の直径は０．１mm、他方は０．０２mmで
あって、孔２は等しいピッチで配列されている。

【００２２】図３は超音波振動板１と圧電振動子５とか
ら成る超音波発生素子の第１の実施例を示す側面図であ
る。矩形板状の超音波振動板１はニッケル製で、圧電振
動子５に固着された固着部３と、振動部４とから成る。
超音波振動板１は長さ２０mm、幅２０mm、厚さ０．０５
mmである。固着部３は長さ２０mm、幅３mm、厚さ０．０
５mmである。振動部４は長さ１７mm、幅２０mm、厚さ
０．０５mmである。圧電振動子５は矩形板状の圧電磁器
６を有し、圧電磁器６の材質はＴＤＫ７２Ａ材（製品
名）で、その長さは２２mm、幅は２０mm、厚さは１mmで
ある。ＴＤＫ７２Ａ材は電気機械結合係数が大きいこと
から、ここでの実施例に用いている。圧電磁器６の分極
軸の方向は厚さ方向に一致しており、この厚さ方向に垂
直な両端面にＡｕ電極７、８が形成されている。Ａｕ電
極７は圧電磁器６の一方の面を覆い、Ａｕ電極８は圧電
磁器６のもう一方の面を覆っている。Ａｕ電極７には端
子Ｐが取り付けられ、Ａｕ電極８には端子Ｑが取り付け
られている。端子Ｐおよび端子Ｑはともに銅箔から成
り、圧電磁器６の幅方向に沿う一方の縁部に配置されて
いる。圧電振動子５は、Ａｕ電極７を介して超音波振動
板１の一方の端面に、超音波振動板１と一体的に連なっ
て固着されている。

【００２３】図４は図３の前記超音波発生素子の平面図
である。超音波振動板１は細長い板状の固着部３におい
て圧電振動子５と固着している。圧電振動子５は固着部
３に接着剤で接着されている。圧電振動子５は超音波振
動板１の固着部３から外方に向けて超音波振動板１の端
面に平行に伸び突出している。

【００２４】図５は本発明の超音波振動板が超音波霧化
装置に応用された場合の一実施例を示す断面図である。
本実施例は図３に示す前記超音波発生素子と、超音波振
動板１１および圧電振動子１２から成る超音波発生素子
と、貯液室１３と、貯液室１４と、液体供給チューブ１
５と、液体供給チューブ１６と、バルブ１７と、バルブ
１８と、保液材１９と、保液材２０と、支持具２１とか
ら成り、それらが本体の内部に納められている。超音波
振動板１１は長さ３０mm、幅２０mm、厚さ０．０５mmで
ある。超音波振動板１１は超音波振動板１と同一の材質
から成り、超音波振動板１と同様にして圧電振動子１２
に固着されている。超音波振動板１１にも図１および図
２に示すような超音波振動板１と同様な形状の微細な多
数の孔が設けられているが、その寸法は超音波振動板１
とは異なり、入口側の直径は０．２mm、出口側の直径は
０．０５mmである。圧電振動子１２は圧電振動子５と同
様な一対の電極と、圧電振動子５と同一の材質を有する
圧電磁器とから成り、該圧電磁器の長さは２２mm、幅は
２０mm、厚さは２mmである。圧電振動子１２には圧電振
動子５と同様な位置に端子Ｐが取り付けられているが、
端子Ｑは圧電振動子５と共有していて、端子Ｑは２つの
圧電振動子５、１２に挟まれている。圧電振動子５と圧
電振動子１２は支持具２１によって圧接されている。電
源室には、圧電振動子５および圧電振動子１２に端子
Ｐ、Ｑを介して交流電圧を供給する電源部が設けられて
いて、圧電振動子５と圧電振動子１２との間にはスイッ
チが設けられていて、該スイッチの切り替えにより圧電
振動子５または圧電振動子１２に交流電圧を供給する。
但し、図５では圧電振動子５および圧電振動子１２に交
流電圧を供給する電源回路、前記スイッチおよび端子
Ｐ、Ｑが省いて描かれていて、使用時には、貯液室１３
および貯液室１４は適量の液体で満たしておく。端子
Ｐ、Ｑは圧電振動子５および圧電振動子１２にそれぞれ
導電性接着剤で固着されている。保液材１９は液体供給
チューブ１５の先端に設けられていて、保液材１９は超
音波振動板１の下面と接触している。保液材２０は液体
供給チューブ１６の先端に設けられていて、保液材２０
は超音波振動板１１の下面と接触している。

【００２５】図５の超音波霧化装置の駆動時、超音波振
動板１と圧電振動子５との複合体の共振周波数にほぼ等
しい周波数を有する交流信号を、端子Ｐおよび端子Ｑを
介して圧電振動子５に印加すると、圧電振動子５は励振
される。このとき、その交流信号の周波数は圧電振動子
５の共振周波数のうちの１つにほぼ一致している。圧電
振動子５を超音波振動板１の少なくとも一方の端面上に
一体的に連なって固着させる構造を採用していることか
ら、圧電振動子５の励振に伴って、超音波振動板１はそ
の固着部３を固定端とする片持ち梁の形で振動される。
振動部４に生じる振動は屈曲振動であり、振動部４の弾
性振動が液体の霧化に有効に機能する。同様にして、超
音波振動板１１と圧電振動子１２との複合体において
も、その複合体の共振周波数にほぼ等しい周波数を有す
る交流信号を、端子Ｐおよび端子Ｑを介して圧電振動子
１２に印加すると、圧電振動子１２は励振され、圧電振
動子１２の励振に伴って超音波振動板１１が振動し、超
音波振動板１１の振動部の弾性振動が液体の霧化に有効
に機能する。圧電振動子５と圧電振動子１２とは、それ
ぞれ超音波振動板１または超音波振動板１１に固着され
ていない方の端面をあわせた形で支持具２１によって圧
接されていると同時に、圧電振動子５および圧電振動子
１２を一体構造物として本体に固定させている。支持具
２１の圧電振動子５および圧電振動子１２との接触部は
発泡スチロール製で成り、圧電振動子５および圧電振動
子１２に比べて音響インピーダンスが低いことからここ
での実施例に用いている。支持具２１の圧電振動子との
接触部が発泡スチロール製であることにより、圧電振動
子５および圧電振動子１２からの超音波が支持具２１自
身に伝搬し散失されるのが抑制され、超音波振動板１ま
たは超音波振動板１１は効率良く振動される。一方、貯
液室１３の中の液体は液体供給チューブ１５を通過する
ときにバルブ１７によって液量を調整され保液材１９に
供給され、保液材１９と接触している超音波振動板１の
下面に達している。保液材１９はスポンジ製で吸液能力
が大きいばかりでなく、圧電振動子５に比べて音響イン
ピーダンスが低いことからここでの実施例に用いてい
る。保液材１９がスポンジ製であることにより、圧電振
動子５からの超音波が保液材１９を介して液体中に伝搬
し散失するのが抑制され、超音波振動板１は効率良く振
動される。同様にして、貯液室１４の中の液体は液体供
給チューブ１６を通過するときにバルブ１８によって液
量を調整され保液材２０に供給され、保液材２０と接触
している超音波振動板１１の下面に達する。保液材２０
はスポンジ製で吸液能力が大きいばかりでなく、圧電振
動子１２に比べて音響インピーダンスが低いことからこ
こでの実施例に用いている。保液材２０がスポンジ製で
あることにより、圧電振動子１２からの超音波が保液材
２０を介して液体中に伝搬し散失するのが抑制され、超
音波振動板１１は効率良く振動される。

【００２６】図５の超音波霧化装置では、超音波振動板
１と圧電振動子５とから成る超音波発生素子を作動させ
るとき、振動部４の振動に伴い貯液室１３からバルブ１
７によって液量を調整され液体供給チューブ１５を通っ
て保液材１９に達した液体は、毛細管現象により各孔２
に導かれる。前記液体が各孔２を通過するとき、各孔２
の液体の通過面積は開口面積の大きい方を入口側とし小
さい方を出口側とすることにより、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２によって絞り
作用を受け、微小でかつ均一な粒子となって振動部４の
上部に流出する。その結果、前記絞り作用、振動部４の
弾性振動、および超音波振動板１へのバルブ１７による
液量制御作用により、孔２から流出した液体は効率良く
霧化される。本実施例では印加電圧が９．８Vのときに
周波数が１１４．６kHzで霧化量が最大となり、そのと
きの消費電力は２９４mW、電流は３０mAである。また電
源を含む装置全体においては消費電力は５８８mW、電流
は６０mAである。また、スイッチの切り替えにより超音
波振動板１１と圧電振動子１２とから成る超音波発生素
子を作動させたときには、貯液室１４からバルブ１８に
よって液量を調整され液体供給チューブ１６を通って保
液材２０に達した液体は、毛細管現象により超音波振動
板１１に設けられている微細な多数の孔に導かれ、霧化
される。その孔の大きさが孔２とは異なるので、孔２を
通して霧化される霧の粒子の大きさとは異なった大きさ
の粒子を有する霧を発生させることができる。このよう
にして、スイッチの切り替えにより異なった大きさの粒
子を発生させることができるばかりでなく、貯液室１３
と貯液室１４の中に別々の種類の液体を入れておくこと
により別々の種類のしかも異なった大きさの粒子を有す
る霧を発生させることができる。さらに、貯液室１３お
よび貯液室１４にヒ−タ−を設け、そのヒーターを作動
させることにより、貯液室１３または貯液室１４の中の
液体の温度を用途に応じて設定できる。なお、印加電圧
を増加させるとそれにつれて霧化量も増加するので、目
的に応じて電圧を変えれば霧化量を自由に変えることが
できる。

【００２７】図６は図５の実施例が示す超音波霧化装置
において、振動部４の長さを変化させていったときの振
動部４の長さと霧化量との関係を示す特性図である。振
動部の長さが１７mmのときに霧化量は最大値２７．５ml
/minを示す。また図７は振動部４の長さと霧の噴出の高
さとの関係を示す特性図である。ただしこのときの高さ
は斜方向に噴出したものを鉛直上方の値に換算したもの
である。振動部４の長さが１７mmのときに霧の高さは１
１２cmの最大値に達した。

【００２８】図８は図５の実施例の圧電振動子５のイン
ピーダンスの位相と周波数との関係を示す特性図であ
り、図９は図５の実施例の超音波振動板１と圧電振動子
５との複合体についてのインピーダンスの位相と周波数
との関係を示す特性図である。位相が０度のときの周波
数の値が共振周波数を示すので、図８においては圧電振
動子５は４つの共振周波数を有する。ｆａは４つの共振
周波数のうちの２つの共振周波数の中間値を示す。図９
ではｆａ付近のピークが２つに分かれ、共振周波数ｆｂ
1 ，ｆｂ2 を生じ、その中間値ｆ0 が霧化量が最大にな
るときの周波数を示し、ｆ0 はほぼｆａと一致する。な
お、振動部４の長さを短くするにつれｆｂ1 ，ｆｂ2 は
高周波側に偏移し、ｆａから遠ざかるので霧化量は減少
する。

【００２９】図１０は超音波振動板１と超音波振動板３
１と圧電振動子５とから成る超音波発生素子の第２の実
施例を示す平面図である。超音波振動板３１は超音波振
動板１と同寸法であって、超音波振動板３１は超音波振
動板１と同寸法の固着部３２および振動部３３から成
る。超音波振動板３１には超音波振動板１と同様な形状
と寸法の微細な多数の孔が設けられている。超音波振動
板３１は圧電振動子５の超音波振動板１が固着されてい
る方の端面上において、超音波振動板１と対面する縁部
に固着されている。圧電振動子５の両端面にはそれぞれ
端子Ｐおよび端子Ｑが設けられていて、端子Ｐおよび端
子Ｑは圧電振動子５の長さ方向に沿う一方の縁部に配置
されている。但し、図１０では端子Ｐ、Ｑが省いて描か
れている。

【００３０】図１１は２つの超音波振動板４１と圧電振
動子５とから成る超音波発生素子の第３の実施例を示す
平面図である。超音波振動板４１は長さ２０mm、幅９．
５mm、厚さ０．０５mmである。超音波振動板４１は固着
部４２と振動部４３とから成る。固着部４２は長さ３m
m、幅９．５mm、厚さ０．０５mmであり、振動部４３は
長さ１７mm、幅９．５mm、厚さ０．０５mmである。一方
の超音波振動板４１には超音波振動板１と同様な形状と
寸法の微細な多数の孔が設けられ、もう一方の超音波振
動板４１には超音波振動板１１と同様な形状と寸法の微
細な多数の孔が設けられている。２つの超音波振動板４
１は互いに１mmの間隔を隔てて、圧電振動子５の一方の
端面上に固着されている。圧電振動子５の両端面にはそ
れぞれ端子ＰおよびＱが設けられていて、端子Ｐおよび
端子Ｑは、図３の超音波発生素子と同様にして圧電振動
子５の幅方向に沿う一方の縁部に配置されている。但
し、図１１では端子Ｐ、Ｑが省いて描かれている。

【００３１】図１２は２つの超音波振動板４１と２つの
圧電振動子５とから成る超音波発生素子の第４の実施例
を示す斜視図である。超音波振動板４１は圧電振動子５
の一方の端面上の、圧電振動子５の幅方向に沿う縁部の
隅に固着されている。２つの圧電振動子５は互いに超音
波振動板４１の固着されていない方の端面を介して圧接
されている。２つの超音波振動板４１は圧電振動子５の
厚さ方向から見たとき、互いに重なりあわないように配
置されている。一方の超音波振動板４１には超音波振動
板１と同様な形状と寸法の微細な多数の孔が設けられ、
もう一方の超音波振動板４１には超音波振動板１１と同
様な形状と寸法の微細な多数の孔が設けられている。圧
電振動子５の幅方向に沿う一方の縁部には２つの端子Ｐ
と、端子Ｑとが配置されている。端子Ｐは圧電振動子５
の超音波振動板４１を有する端面上にそれぞれ設けられ
ていて、端子Ｑは２つの圧電振動子５の間に設けられて
いる。一方の端子Ｐおよび端子Ｑを介して交流電圧を供
給することにより、その端子Ｐが設けられている圧電振
動子１を駆動させることができる。このようにして、ど
ちらかの圧電振動子５を駆動させることができる。

【００３２】図１３は長さ１０．５mm、幅５mm、厚さ
０．０４mmの振動部５３と長さ１．５mm、幅５mm、厚さ
０．０４mmの固着部５２とを有する超音波振動板５１
と、長さ２０mm、幅５mm、厚さ６mmの圧電振動子５４と
から成る超音波発生素子の第５の実施例を示す斜視図で
ある。振動部５３にはその厚さ方向に貫通する微細な多
数の孔が設けられていて、その孔の形状は図１および図
２の孔２と同様であるが、入口側の直径は０．０８mm、
出口側の直径は０．００７mmである。圧電磁器５５の分
極軸に垂直な両端面には電極５６、５７、５８が形成さ
れている。電極５６および５７は同一面上に設けられて
いて互いに絶縁状態にある。電極５６は圧電磁器５５の
長さ方向の先端から１５mmの部位を覆い、圧電振動子５
４に交流電圧を印加するための電極として用いられる。
電極５７は電極５６から１mm離れた残りの部分を覆い、
自励式電源のための電極として用いられる。電極５８は
グランド電極として用いられる。本実施例の超音波発生
素子を用いた超音波霧化装置は、周波数が約１００kHz
で霧化量が最大となり、霧の粒子も微小かつ均一になる
ことが確認された。

【００３３】図１４は長さ５．５mm、幅５mm、厚さ０．
０４mmの振動部６３と長さ１．５mm、幅５mm、厚さ０．
０４mmの固着部６２とを有する超音波振動板６１と、長
さ１０mm、幅５mm、厚さ６mmの圧電振動子６４とから成
る超音波発生素子の第６の実施例を示す斜視図である。
超音波振動板６１には図１および図２の孔２と同様な形
状の微細な多数の孔が設けられていて、その入口側の直
径は０．０８mmで出口側の直径は０．００７mmである。
本実施例では、圧電磁器６５の分極軸に垂直な両端面に
電極６６、６７、６８が形成されている。電極６６およ
び６７は同一面上に設けられていて互いに絶縁状態にあ
る。電極６６は圧電磁器の長さ方向の先端から４．５mm
の部位を覆い、圧電振動子６４に交流電圧を印加するた
めの電極として用いられる。電極６７は電極６６から１
mm離れた残りの部分を覆い、自励式電源のための電極と
して用いられる。電極６８はグランド電極として用いら
れる。このようにして、圧電磁器の分極軸に垂直な一方
の端面上に互いに絶縁状態にある２つの電極を設けるこ
とにより一方の電極を自励式電源のための電極として用
いることができるから、安定で効率がよく低消費電力駆
動が可能な霧化装置を提供できる。

【００３４】図１５は図１４に示す超音波発生素子につ
いてのインピーダンスの位相と周波数との関係を示す特
性図である。図１５における点線は圧電振動子６４単体
の特性を示し、実線は超音波振動板６１と圧電振動子６
４との複合体の特性を示す。ｆｏは該複合体が超音波霧
化装置に用いられた場合に、霧化量が最大になるときの
周波数を示す。ｆｏは２４５．７kHzであり、圧電振動
子６４単体の共振周波数とほぼ一致している。このよう
に、超音波振動板と圧電振動子との複合体における共振
周波数が圧電振動子単体の共振周波数にほぼ等しくなる
ような構造を採用することにより、超音波振動板と圧電
振動子との複合体の結合振動が増強するから、霧の発生
量が増加する。

【００３５】図１６は図１４に示す超音波発生素子にお
いて、振動部６３の長さを変化させていったときの振動
部６３の長さと霧化量との関係を示す特性図である。振
動部の長さが５．５mmのときに霧化量は最大値７２ml/h
を示し、そのときの消費電力は１Wである。

【００３６】図１７は超音波振動板７１（本図には描か
れていない）と圧電振動子７４とから成る超音波発生素
子の第７の実施例を示す斜視図、図１８は図１７の実施
例の超音波発生素子を下面方向から見たときの平面図で
ある。圧電振動子７４は圧電磁器７５と、Ａｕ電極７６
と、Ａｕ電極７７とから成る。圧電磁器７５は円柱状
で、その分極軸に垂直な両面をそれぞれ端面とし前記分
極軸に平行に貫通された穴を有する。圧電磁器７５の材
質はＴＤＫ７２Ａ材（製品名）で、直径２４mm、厚さ６
mmで、前記貫通穴も円柱状であり、その直径は１２mmで
ある。ＴＤＫ７２Ａ材は電気機械結合係数が大きいこと
からここでの実施例に用いている。前記両端面にはそれ
ぞれＡｕ電極７６およびＡｕ電極７７が形成されてい
る。Ａｕ電極７６には端子Ｐが取り付けられ、Ａｕ電極
７７には端子Ｑが取り付けられている。

【００３７】圧電振動子７４の下端面の前記貫通穴の開
口を覆う位置には、円板状の超音波振動板７１が取り付
けられている。超音波振動板７１はニッケル製で、輪状
の固着部７２によって圧電振動子７４と一体的に連なっ
て固着されており、固着部７２に囲まれた超音波振動板
７１が振動部７３をなしている。固着部７２はＡｕ電極
７７を介して圧電振動子７４に固着されている。超音波
振動板７１の直径は１４mm、厚さ０．０５mmである。振
動部７３の直径は前記貫通穴の直径と一致しており１２
mmであり、厚さは０．０５mmである。振動部７３にはそ
の厚さ方向に貫通する微細な多数の孔が設けられてい
て、その孔の寸法と形状は図１および図２の孔２と同一
である。

【００３８】図１７に示す超音波発生素子を備えた超音
波霧化装置の駆動時、超音波振動板７１と圧電振動子７
４との複合体の共振周波数にほぼ等しい周波数を有する
交流信号を端子Ｐおよび端子Ｑを介して圧電振動子７４
に印加する。圧電振動子７４は励振され、固着部７２に
囲まれた振動部７３は圧電振動子７４と一体となって結
合振動する。この振動部７３の結合振動が液体の霧化に
有効に機能する。

【００３９】図１９は３種類の形状の図１７の複合体に
ついての印加電圧と周波数およびそのときの消費電力と
電流との関係を表にして示した特性図である。Ｉ型とＩ
Ｉ型は圧電振動子の下端に超音波振動板が固着されてい
る。ＩＩＩ型はＩＩ型と同寸法ではあるが、超音波振動
板は圧電振動子の上端面に固着されている。ＩＩ型は図
１７および図１８に示す超音波振動板７１と圧電振動子
７４との複合体である。印加電圧が１０．７Vのときに
は周波数が２９０．６kHzで霧化量が最大となり、その
ときの消費電力は３２０mW、電流は３０mAである。ま
た、電源を含む装置全体においては消費電力は６４２m
W、電流は６０mAである。なお、ＩＩ型と同構造で上部
にも超音波振動板を設けた場合には、ＩＩ型での特性が
保持されたままで霧化率は減少するものの、極めて微細
な霧の発生に有効であることが確認された。

【００４０】なお、本発明の超音波振動板を備えた超音
波霧化装置の液体供給手段としては、図５に示す実施例
の他に、保液材を用いることなく液体を超音波振動板の
上に滴下させた場合、あるいは超音波振動板の下部に補
助板を設け液体供給チューブを用いて超音波振動板と該
補助板との微少間隙に液体を供給した場合にも、図５に
示す実施例と同様な霧化効果が見られた。

【００４１】さらに、液体供給手段として、保液材を超
音波振動板の下面に固着し、該保液材を液体中に漬ける
かまたは液面に接触させることによっても図５に示す実
施例と同様な霧化効果が見られた。保液材を液槽に固定
しておいて、該液槽中の液体が吸収された前記保液材に
超音波振動板を接触させることによっても、図５に示す
実施例と同様な霧化効果が見られた。保液材を固定物か
ら糸や紐などで吊るし、その糸や紐を伝わらせて液体を
保液材に供給し、該保液材に超音波振動板を接触させる
ことによっても、図５に示す実施例と同様な霧化効果が
見られた。保液材を動かすか、または超音波振動板を動
かすことにより、保液材と超音波振動板とを接触させる
ことによっても、図５に示す実施例と同様な霧化効果が
見られた。その際、タイマーを装着させることにより時
間ごとの霧化が行え、また湿度センサーを装着させるこ
とにより保液材と超音波振動板とが接触したり離れたり
して一定の湿度に保つことができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明の超音波振動板を採用することに
より、構造の簡単な超音波霧化装置を形成することがで
きるから、装置の小型、軽量化、および低消費電力化が
実現できる。しかも超音波振動板には多数の微小な孔が
設けられていることから、この孔の作用により霧の粒子
の微小性、均一性を促すことができ、その上、霧化効率
を促進することができるから、低消費電力での駆動が可
能となる。

【００４３】本発明の超音波振動板によって形成される
超音波発生素子において、圧電振動子を超音波振動板の
一つの端面上に一体的に連なって固着させる構造の採用
により、振動部は固着部を固定端とする形で振動する。
このような超音波発生素子から超音波霧化装置を形成し
た場合、強い弾性振動の状態にある振動部に供給された
液体は垂直上方に向けて霧化される。振動部に多数の微
小な孔が設けられていて、その上、その孔の一方の開口
面積と他方の開口面積とが異なるような超音波振動板を
採用することにより、大きい方の開口を液体の入口側と
し小さい方を出口側とすることができる。従って、超音
波振動板の下面に供給された液体は孔の入口を通過して
超音波振動板の上面の出口から上部に放出される。この
とき、液体は孔によって絞り作用を受ける。その結果、
孔による絞り作用と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、霧の発生量が増加しかつ粒
子の径が均一になる。

【００４４】超音波振動板の孔の入口側または出口側の
開口面積に関して少なくとも２種類ある場合には、液体
の各孔における通過速度はその孔の入口側および出口側
の開口面積に依存し、出口側から放出される霧の粒子の
径も各孔の入口側および出口側の開口面積に依存する。
従って、孔の開口面積が２種類ある場合、２種類の霧化
速度を有する霧を発生させることができるだけでなく、
２種類の大きさの粒子の霧を発生させることができる。
各孔への液体の供給手段を種類ごとに分ければ、その種
類に応じた霧化速度および粒径を有する霧を別々に発生
することも可能となる。

【００４５】超音波振動板が圧電振動子と固着されるこ
とにより形成される複合体の共振周波数のうちの１つ
が、該圧電振動子の共振周波数のうちの１つにほぼ等し
くなるような構造を採用することにより、超音波振動板
と圧電振動子との複合体の結合振動が増強する。従っ
て、圧電振動子の励振が効果的に超音波振動板に伝搬さ
れる。このようにして、本発明の超音波振動板によって
形成された超音波霧化装置では、霧化効率が促進され、
霧の発生量が増加する。

【００４６】超音波振動板が圧電振動子と固着されるこ
とにより形成される複合体における２つの共振周波数の
中間値が、該圧電振動子の共振周波数にほぼ等しくなる
ような構造を採用することにより、超音波振動板と圧電
振動子との複合体の結合振動が増強する。従って、圧電
振動子の励振が効果的に超音波振動板に伝搬される。こ
のようにして、本発明の超音波振動板によって形成され
た超音波霧化装置では、霧化効率が促進され、霧の発生
量が増加する。

【００４７】超音波振動板の振動部の厚さ方向に垂直な
断面における長さと幅の寸法比がほぼ１に等しいことか
ら、超音波振動板と圧電振動子との複合体の結合振動が
増強される。従って、圧電振動子の励振が効果的に超音
波振動板に伝搬される。このようにして、本発明の超音
波振動板によって形成された超音波霧化装置では、霧化
効率が促進され、霧の発生量が増加する。

【００４８】超音波振動板として、その固着部が、厚さ
方向に貫通された貫通穴を有する圧電振動子の該貫通穴
の開口を覆う位置または該貫通穴の内部に固着され、振
動部がその固着部に囲まれた円板、矩形板、またはその
他の板状構造を採用することにより、超音波振動板は圧
電振動子と一体となった結合振動をするから、圧電振動
子の振動エネルギーは効率良く超音波振動板に伝搬し、
超音波振動板を振動させる。このようにして、本発明の
超音波振動板によって形成された超音波霧化装置では、
霧化効率が促進され、霧の発生量が増加する。超音波振
動板を複数個用いれば霧の粒子の微小性をさらに向上で
きる。

【００４９】本発明の超音波振動板によって形成される
超音波霧化装置の印加電圧を増加させると、それにつれ
て超音波振動板と圧電振動子との複合体の結合振動が増
強される。従って、目的に応じて電圧を変えれば霧化量
を自由に変えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波振動板の一実施例を示す断面
図。

【図２】図１における超音波振動板１を一方の端面から
見たときの部分拡大平面。

【図３】超音波振動板１と圧電振動子５とから成る超音
波発生素子の第１の実施例を示す側面図。

【図４】図３の超音波発生素子の平面図。

【図５】本発明の超音波振動板が超音波霧化装置に応用
された場合の一実施例を示す断面図。

【図６】図５の実施例が示す超音波霧化装置において、
振動部４の長さを変化させていったときの振動部４の長
さと霧化量との関係を示す特性図。

【図７】振動部４の長さと霧の噴出の高さとの関係を示
す特性図。

【図８】図５の実施例の圧電振動子５のインピーダンス
の位相と周波数との関係を示す特性図。

【図９】図５の実施例の超音波振動板１と圧電振動子５
との複合体についてのインピーダンスの位相と周波数と
の関係を示す特性図。

【図１０】超音波振動板１と超音波振動板３１と圧電振
動子５とから成る超音波発生素子の第２の実施例を示す
平面図。

【図１１】２つの超音波振動板４１と圧電振動子５とか
ら成る超音波発生素子の第３の実施例を示す平面図。

【図１２】２つの超音波振動板４１と２つの圧電振動子
５とから成る超音波発生素子の第４の実施例を示す斜視
図。

【図１３】振動部５３と固着部５２とを有する超音波振
動板５１と、圧電振動子５４とから成る超音波発生素子
の第５の実施例を示す斜視図。

【図１４】振動部６３と固着部６２とを有する超音波振
動板６１と、圧電振動子６４とから成る超音波発生素子
の第６の実施例を示す斜視図。

【図１５】図１４に示す超音波発生素子についてのイン
ピーダンスの位相と周波数との関係を示す特性図。

【図１６】図１４に示す超音波発生素子において、振動
部６３の長さを変化させていったときの振動部６３の長
さと霧化量との関係を示す特性図。

【図１７】超音波振動板７１と圧電振動子７４とから成
る超音波発生素子の第７の実施例を示す斜視図。

【図１８】図１７の実施例の超音波発生素子を下面方向
から見たときの平面図。

【図１９】３種類の形状の図１７の複合体についての印
加電圧と周波数およびそのときの消費電力と電流との関
係を表にして示した特性図。

【符号の説明】

１超音波振動板２孔３固着部４振動部５圧電振動子６圧電磁器７電極８電極１１超音波振動板１２圧電振動子１３貯液室１４貯液室１５液体供給チューブ１６液体供給チューブ１７バルブ１８バルブ１９保液材２０保液材２１支持具３１超音波振動板３２固着部３３振動部４１超音波振動板４２固着部４３振動部５１超音波振動板５２固着部５３振動部５４圧電振動子５５圧電磁器５６電極５７電極５８電極６１超音波振動板６２固着部６３振動部６４圧電振動子６５圧電磁器６６電極６７電極６８電極７１超音波振動板７２固着部７３振動部７４圧電振動子７５圧電磁器７６電極７７電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高周波電圧で励振され該高周波電圧の周
波数で機械振動をする圧電振動子の１つの端面に表面の
一部が固着され、残部が前記圧電振動子の前記端面にほ
ぼ平行に配置されることによって、前記機械振動を前記
圧電振動子から伝達されて超音波振動をする振動板であ
って、前記残部が振動部を成し、前記振動部には多数の孔が設けてあることを特徴とする
超音波振動板。
【請求項２】前記孔における前記振動部の一方の開口
面積と他方の開口面積とが互いに異なることを特徴とす
る請求項１に記載の超音波振動板。
【請求項３】前記振動部の少なくとも一方の端面にお
ける前記孔には、開口面積に関して少なくとも２種類あ
ることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動板。
【請求項４】前記圧電振動子と固着されることにより
形成される複合体の共振周波数のうちの１つは、該圧電
振動子の共振周波数のうちの１つにほぼ等しいことを特
徴とする請求項１、２または３に記載の超音波振動板。
【請求項５】前記圧電振動子と固着されることにより
形成される複合体における２つの共振周波数の中間値
は、該圧電振動子の共振周波数にほぼ等しいことを特徴
とする請求項１、２または３に記載の超音波振動板。
【請求項６】前記振動部の厚さ方向に垂直な断面にお
ける長さと幅の寸法比がほぼ１に等しいことを特徴とす
る請求項１、２または３に記載の超音波振動板。
【請求項７】厚さ方向に貫通された貫通穴を有する前
記圧電振動子の該貫通穴の開口を覆う位置または該貫通
穴の内部に前記固着部が固着され、前記振動部が該固着
部に囲まれた円板、矩形板、またはその他の板であるこ
とを特徴とする請求項１、２または３に記載の超音波振
動板。
【請求項８】厚さ方向に垂直な断面における長さと幅
の寸法比がほぼ１に等しい矩形状の板であることを特徴
とする請求項１、２または３に記載の超音波振動板。