JPS60132670A - 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、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、圧電セラミック等の圧電振動子
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ェット記録装置
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を有するノスル板２は、円環
状の圧電振動子３が接着され、加圧室４を有するボテイ
ー５に接着されている。

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となって噴射されるものであった。

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った。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駆出されるために生じるもので
ある。

したがって、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った。したがって、
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はがなりの
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す、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
薄いものとなっていた。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って
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」ニ昇し、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の中央部の励振かか
なりの大きさて行われないと安定に噴霧できないもので
あった。したがって、圧電振動子Ｇ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
て重要であった力へ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Ｇをかなりの高
電圧（例えば１００〜２００Ｖ　）で駆動せざるを得な
かった。

このような理山により、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ったりする
という欠点があった。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か大型化・高価格化
するという欠点があった。

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、したかって、電
力消費が非常に少なく、がっ、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テイーに装着す
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訪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１゜ｍｍ、深
さ１〜５ｍｍの円筒状の加圧室１１を有するボテイー１
２と、直径５０〜１００μ？ｎのノズル１３を複数個有
し、厚さ約５　Ｑ　Ｉｔｍのノズル板１４と、直径約４
πｍの円形開口１５を有し、外径約１０調、厚さ約１鰭
の圧電セラミック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穴２Ｏ
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伴出時は、液面Ａ
およびＢは図のように同一の高さになっている。

排気パイプ２２は、ファン２４の吸込側に図のように接
続されている。ファン２４が起動されると、その吸込側
には負圧力ーＰが発生し、この負圧力ー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。

この負圧力ーＰの発生により、ノズル１３かられずかな
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ー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
となっ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
セラミック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。

圧電セラミック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、圧電セラミック１６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おまび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、圧電セラミック１
６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、いオ）ゆる圧電横効果による径方向振
動を行う。

圧電セラミック１６は、同図すに示すように、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。したがって、同図中に破線で示す
ように、前述した圧電セラミック１６の径方向振動は、
いオつゆるたわみ振動に変換されるのである。

第５図８１およびｂは、このたわみ振動の様子を説明す
るものであって、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図すに示しｔコ断面の直径方向の
位置Ｘに対するｔコわみ振動の振幅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
あって、Ｘニ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
の節になっているのである。すなオつち、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の内径りに対し、圧電セラミック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１４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って、第
４図と同符号Ｑ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と圧電セラミック１６よ
り成る振動体２７は、同図すに示すような周辺固定され
た等価円板２７′と考えるＣとができる。もちろん、圧
電セラミック１６の外径ｄ′が、加圧室の内径りにほぼ
一致す条よう構成され、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、はぼ同図す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、１、および第２共振
周波数ｆｒ２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ｈ２（２次モード）における節円の直
径は、その固定円板の外径りを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ｆｒ２（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、圧電セラミック１６の開口１５の直
径ｄを構成することにより、同図す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って第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、同図すにモデル的に示
す圧電セラミック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りとに分けて考えることができ
、■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、圧電セラミック１６により発生する駆動力Ｓは
、駆動体ＶのインピータンスＺｖを介して、負荷りのイ
ンピーダンスＺＬ　に力を伝達する。この駆動体■と負
荷りの整合は、内径ｄに相当する端子ｄｓ１　。

”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り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ｄＳ１　
、　ｄＳ２に相当する圧電セラミック１−６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に示した振動姿態はこ
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ｆｒ２（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、圧電セラミック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。

したがって、第８図ａ、ｂ、ｃおよびｄに示した振動系
２７の駆動体Ｖと負荷りとの機械インピーダンス整合を
良好に行うことができ、がっ、圧電セラミック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、がつ、効率のよい
液体の噴寂を行うことができ、例えば、液体として灯油
を用いた場合、圧電セラミック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４０
ｃｃ程度の噴ＭＦｊｌ−を得ることが可能であった。

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、圧電セラミッ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ｄに示した第１共振
周波数ｆｒ１における１次モードの振動姿態でなく、第
２共振周波数ｆｒ２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
キャビテーショ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、発生するキャビテ
ーション気泡が加圧室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、はぼ周辺固定
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、周辺支持などであってもよく、また、２次モ
ードの振動姿態でなく、より高次モードであってもよい
。

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甥することができ、したが
って、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
ッ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は同霧化装置の腓化部の
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９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・・・・・・ボディー、
１ａ・・・・・・ノズル、１４・・・・・・ノズル板、
１５・・・・・・υＮ口、１６・・・・・・圧電振動子
、２７・・・・・・振動体（１４・・・・・・ノズル板
、１６・・・・・・圧電振動子）。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 １　−ａ［ ｄ′ ６図 比開口直径ｄ−／Ｄ 箇７図

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ィーとより成り、
   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
   ディ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。 俊）振動体をほぼ周辺固定条件となるよう前記ボディー
   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節円直径より大きくなる
   よう構成した特許請求の範囲第１項または第２項記載の
   霧化装置。 （４）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。