(57)【要約】【課題】霧化する液体によって超音波振動子の発振が抑制されたとしても、液体を安定的に霧化することのできる超音波霧化装置及びそれを備えた設備機器を提供する。【解決手段】超音波霧化装置１０は、圧電素子で構成され、２０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数帯域の超音波を発生するＰＺＴ振動子１３と、ＰＺＴ振動子１３の外周端面に設けられ、このＰＺＴ振動子１３の発振を抑制する粘着層１５とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
2008207057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波によって液体を霧化する超音波霧化装置であって、  
圧電素子で構成され、超音波を発生する振動子と、
前記振動子の外周面に設けられ、この振動子の発振を抑制する粘着層とを備えた
ことを特徴とする超音波霧化装置。
【請求項２】
前記粘着層を、ゴム又はウレタンで構成した
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波霧化装置。
【請求項３】
前記振動子を前記粘着層を介して保持する構造体を備えた
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波霧化装置。
【請求項４】
前記構造体を金属製の共振体で構成した
ことを特徴とする請求項３に記載の超音波霧化装置。
【請求項５】
前記振動子の露出した表面を腐食性のある金属合金で電極処理した
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波霧化装置。
【請求項６】
前記請求項１〜５のいずれかに記載の超音波霧化装置を備えた
ことを特徴とする設備機器。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用して液体を霧化することのできる超音波霧化装置及びそれを備えた設備機器に関し、特に液体を安定的に霧化することのできる超音波霧化装置及びそれを備えた設備機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から超音波霧化技術によって液体を霧化する超音波霧化装置が存在する。このような超音波霧化装置は、圧電素子であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）振動子にパルス電圧を印加し、ＰＺＴ振動子を発振させることによって、超音波を発生させて液体を霧化している。また、このような超音波霧化装置は、薬剤や消毒液を霧化する等の医療用途（たとえば、ネブライザ（吸入器））に用いられたり、室内空気を加湿する等の空調用途に用いられたり、用途が多岐にわたる。
【０００３】
そのようなものとして、「圧電体からなる超音波振動子、液体を収容する液体容器、及び一端が液体容器に挿入され、他端が超音波振動子の振動端面の全面に接触する吸水帯からなる」ようにした超音波霧化器が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この超音波霧化器は、吸水帯で液体を吸い上げ、超音波振動子に直接供給して、この液体を霧化し、霧化した液体（以下、単に霧化液体と称する）を噴霧するようにしているものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１８１３４７号公報（第３ページ、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の超音波霧化器は、超音波振動子に霧化用の液体（たとえば、水）が直接供給されたときに、この液体の重量によって超音波振動子の発振が抑制され、超音波振動子の有する音響特性が低い周波数帯域に移動してしまい、この超音波振動子の有する本来の音響特性の周波数を得ることができずに、霧化液体量が減少してしまったり、液体を霧化することそのものが停止してしまったりする等の問題が発生してしまうことになっていた。
【０００６】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたもので、霧化する液体によって超音波振動子の発振が抑制されたとしても、液体を安定的に霧化することのできる超音波霧化装置及びそれを備えた設備機器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る超音波霧化装置は、超音波によって液体を霧化する超音波霧化装置であって、圧電素子で構成され、超音波を発生する振動子と、前記振動子の外周面に設けられ、この振動子の発振を抑制する粘着層とを備えたことを特徴とする。また、本発明に係る設備機器は、上記の超音波霧化装置を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る超音波霧化装置は、圧電素子で構成され、超音波を発生する振動子の外周面に粘着層を設けるので、振動子の発振を予め抑制することが可能であり、振動子から発生する超音波のピークを有する範囲を比較的平坦な特性傾向にすることができ、この範囲内で液体を霧化することができる。したがって、液体を安定的に霧化することが可能になっている。また、本発明に係る設備機器は、上記の超音波霧化装置を備えているので、超音波霧化装置の効果を全部有することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る超音波霧化装置１０の概略構成を示す概略構成図である。図１に基づいて、超音波霧化装置１０の構成について説明する。この超音波霧化装置１０は、超音波を発生することによって水や薬剤等の液体を霧化させるものである。また、図１（ａ）が超音波霧化装置１０の縦断面図を、図１（ｂ）が超音波霧化装置１０の平面図をそれぞれ示している。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１０】
この超音波霧化装置１０は、霧化液体を安定的に供給することができるということを特徴としている。図１（ａ）に示すように、超音波霧化装置１０は、支持部１１と、台座１２と、ＰＺＴ振動子１３とが順に積層されて構成されている。このＰＺＴ振動子１３の外周面（つまり、ＰＺＴ振動子１３の周囲端部）には、粘着層１５が設けられている。また、ＰＺＴ振動子１３及び台座１２は、周囲を構造体１４で覆われている。そして、この構造体１４の台座１２側とは反対側の表面（以下、単に上側表面と称する）に粘着層１５の形状に応じた形状の保持部１６が形成されている（図２参照）。なお、支持部１１及び構造体１４を一体的に形成してもよい。
【００１１】
支持部１１は、超音波霧化装置１０が設置される設備機器の筐体等に超音波霧化装置１０を取り付けるためのものである。この支持部１１は、図１（ｂ）に示すように平面形状が円形状となっている。なお、支持部１１を円形状に限定するものではなく、超音波霧化装置１０が取り付けられる設備機器に応じた形状となっていればよい。台座１２は、支持部１１の一方の側（図面上側）に取り付けられており、ＰＺＴ振動子１３を固定するためのものである。この台座１２も、支持部１１と同様に平面形状が円形状となっているが、平面形状を円形状に限定するものではない。
【００１２】
ＰＺＴ振動子１３は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子であり、正電極端子部１７及び負電極端子部１８を介してパルス電圧が印加され、発振するようになっている。つまり、ＰＺＴ振動子１３は、平面形状が円形状で構成されており、パルス電圧が印加されることによって、所定の周波数帯域（一般的な周波数帯域である２０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの周波数帯域）の音波（超音波）を発生する超音波振動子としての機能を有しているのである。ここでは、１つのＰＺＴ振動子１３を超音波霧化装置１０に設けている場合を例に示しているが、複数のＰＺＴ振動子１３を超音波霧化装置１０に設けるようにしてもよい。複数のＰＺＴ振動子１３を積層させたバイモルフ構造とすれば、ＰＺＴ振動子１３の発振をより強力にすることができる。
【００１３】
なお、図１では、正電極端子部１７及び負電極端子部１８が、支持部１１及び台座１２を貫通し、ＰＺＴ振動子１３に接続されるようになっている場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、支持部１１及び台座１２を貫通しなくてもＰＺＴ振動子１３に接続されていればよい。このＰＺＴ振動子１３も、支持部１１及び台座１２と同様に平面形状が円形状となっているが、平面形状を円形状に限定するものではなく、多角形状であってもよい。
【００１４】
構造体１４は、上側表面にＰＺＴ振動子１３の周囲端部の形状に応じた形状の保持部１６が形成されており、この保持部１６に粘着層１５を設けることでＰＺＴ振動子１３の外周を保持するようになっている。また、構造体１４は、平面形状が円形状に構成されており、ＰＺＴ振動子１３を保持するとともに、内部空間を有し、この内部空間に台座１２を収容するように側面の下端部が支持部１１に取り付けられるようになっている。なお、この構造体１４として金属製の共振体を用いてもよい。
【００１５】
共振体を構造体１４として利用すれば、ＰＺＴ振動子１３の発振によって共振させることでき、ＰＺＴ振動子１３の発振によって発生する超音波の周波数の一次振動モード（図１（ａ）で示す破線Ａ）で、共振現象を起こし、ＰＺＴ振動子１３の発振を増幅させることができる。また、共振体である構造体１４でＰＺＴ振動子１３の露出した表面を覆うようにすれば、ＰＺＴ振動子１３を液体に直接接触させることなく、ＰＺＴ振動子１３を保護することが可能になる。
【００１６】
なお、構造体１４を構成する材質を特に限定するものではない。たとえば、金属製の共振体を構造体１４として利用するのであれば、超音波霧化装置１０の用途、特に霧化させる液体に応じて材質を決定するとよい。液体に薬剤（たとえば、Ｈ2Ｏ2（過酸化水素水）等）を用いることで、超音波霧化装置１０を殺菌用として使用するのであれば、構造体１４をその薬剤による腐食を防止できるような金属材料（たとえば、ニッケル（Ｎｉ）と銅（Ｃｕ）の合金等）で構成するとよい。そうすれば、薬剤による腐食の進行を防止することができる。
【００１７】
粘着層１５は、ＰＺＴ振動子１３の外周面に設けられ、ＰＺＴ振動子１３の発振を強制的に抑制するものである。したがって、この粘着層１５は、防振性能を有する材料で構成するのが望ましい。たとえば、防振性能を有する粘着材（たとえば、ゴムやウレタン等）によって、粘着層１５を構成するとよい。そして、粘着層１５は、構造体１４の上側表面に設けられている保持部１６にＰＺＴ振動子１３を固着するようになっている。つまり、ＰＺＴ振動子１３の発振を抑制するために、構造体１４にＰＺＴ振動子１３を固着する機能を有しているのである。
【００１８】
図２は、構造体１５に形成されている保持部１６を説明するための縦断面図である。図２に基づいて、構造体１５に形成されている保持部１６について説明する。構造体１５の上側表面に形成されている保持部１６は、ＰＺＴ振動子１３の外周面に設けた粘着層１５を介して、ＰＺＴ振動子１３を保持するためのものである。したがって、保持部１６は、ＰＺＴ振動子１３の外径よりも大きな径を有するように形成するとよい。また、図２に示すように、保持部１６の構造体１５壁面は湾曲するように形成することで、粘着層１４を収容し易くなっている。なお、構造体１４の上側表面を単にくり抜いて保持部１６を形成してもよく、保持部１６の構造体１５壁面を階段形状に形成してもよい。
【００１９】
図３は、ＰＺＴ振動子１３の音響特性を表すグラフである。図３に基づいて、超音波霧化装置１０の動作を説明するとともに、ＰＺＴ振動子１３の音響特性を粘着層１５を設けた場合と、設けていない場合とで比較しながら説明する。この図３では、横軸が周波数（Ｈｚ）を、縦軸が尖鋭度（Ｑ）をそれぞれ示している。また、実線Ａが粘着層１５を設けていない場合のＰＺＴ振動子１３の尖鋭度曲線を、波線Ｂが粘着層１５を設けた場合のＰＺＴ振動子１３の尖鋭度曲線をそれぞれ示している。
【００２０】
まず、霧化液体の放射について簡単に説明する。上述したように、ＰＺＴ振動子１３に電圧が印加されると、ＰＺＴ振動子１３が発振し、ＰＺＴ振動子１３の露出した表面から超音波が発生する。この超音波によって、ＰＺＴ振動子１３の露出した表面に存在する液体を霧化し、放射させる。なお、共振体で構造体１４を構成する場合には、ＰＺＴ振動子１３から発生する超音波の一次振動モードによって発生する共振体の共振現象を利用することができる。つまり、共振現象により、一次共振モードの共振周波数を有する共振波が構造体１４から発生し、この共振波によって、液体を霧化し、放射させることができるのである。
【００２１】
このとき、ＰＺＴ振動子１３の露出した表面に存在する液体の重量によって、ＰＺＴ振動子１３の発振が抑制され、ＰＺＴ振動子１３の本来の音響特性が得られないことになる。尖鋭度（Ｑ）は、ＰＺＴ振動子１３の発振状態を表す音響特性の傾向を示すものであり、確実な発振現象が発生しているときは、急峻なピークを有する傾向を示す（図３で示す実線Ａ）。そして、尖鋭度（Ｑ）が急峻なピークを有する範囲（図３で示すＦｃ）であるときに、液体が霧化されるようになっている。つまり、液体によってＰＺＴ振動子１３の発振が抑制されてしまうと、急峻なピークが発生しないことになり、霧化液体量の減少、又は、液体の霧化そのものが停止してしまうことになるのである。
【００２２】
そこで、この実施の形態に係る超音波霧化装置１０では、ＰＺＴ振動子１３の外周面に粘着層１５を設け、ＰＺＴ振動子１３の発振を予め抑制することとしている。つまり、図３で示す破線Ｂのように、ピークを有する範囲（図３で示すＦｒ）を広くしているのである。このように、ピークを有する範囲を比較的平坦な特性傾向を示すようにしておけば、この範囲内で液体を霧化することができる。すなわち、液体の重量によってＰＺＴ振動子１３の発振が抑制されたとしても、急峻なピークを有する範囲が広いので、この範囲内において液体を霧化することが可能なのである。したがって、超音波霧化装置１０は、液体を安定的に霧化することができるのである。
【００２３】
さらに言えば、粘着層１４によってＰＺＴ振動子１３の発振を予め抑制するようにしておけば、ＰＺＴ振動子１３の有する音響特性におけるピークを有する範囲を予め比較的平坦な特性傾向を示すようにすることができるので、液体がＰＺＴ振動子１３の露出した表面に供給され、この液体の重量によって音響特性が変化したとしても、予め広くしてある範囲内において所定量の霧化液体の量を確保することができるのである。したがって、超音波霧化装置１０では、液体を安定的に霧化することができるのである。
【００２４】
なお、ＰＺＴ振動子１３に直接液体が接触するために、液体によってはＰＺＴ振動子１３がさびたり腐食したりすることがあり、ＰＺＴ振動子１３が損傷してしまうことになる場合がある。そこで、ＰＺＴ振動子１３の露出した表面は、耐腐食性のある、たとえばニッケル（Ｎｉ）と銅（Ｃｕ）の合金による電極処理を行うようにしておくことが望ましい。また、ＰＺＴ振動子１３の露出した表面にシリコン膜を成膜してもよい。さらに、複数のＰＺＴ振動子１３を積層させたバイモルフ構造とすれば、ＰＺＴ振動子１３の発振をより強力にすることができる。
【００２５】
ＰＺＴ振動子１３の発振を予め抑制するために、超音波霧化装置１０にＰＺＴ振動子１３を保持する構造体１４を設けている場合を例に説明したが、これに限定するものではない。極端な例を挙げれば、構造体１４でＰＺＴ振動子１３を保持しなくても、粘着層１４のみによってＰＺＴ振動子１３の発振を予め抑制することができればよい。ただし、ＰＺＴ振動子１３の発振を確実に抑制するためには、粘着層１４だけでなく、保持部１６が形成された構造体１４を設けて、ＰＺＴ振動子１３を保持することが望ましい。
【００２６】
図４は、超音波霧化装置１０の設置例を説明するための説明図である。図４に基づいて、超音波霧化装置１０の設置例について説明する。図４では、超音波霧化装置１０を霧化用ダクト２０内に設置した場合を例に示している。図４に示すように、超音波霧化装置１０が液体を放射する際には、源水タンク２１から霧化用の液体（以下、単に源水２２と称する）が霧化用ダクト２０内に供給される。そして、この源水２２が、霧化用ダクト２０の内部におけるＰＺＴ振動子１３の露出した表面まで達すると源水２２の霧化が開始されることになる。
【００２７】
つまり、ＰＺＴ振動子１３に接続されている正電極端子部１７及び負電極端子部１８を介してＰＺＴ振動子１３にパルス電圧が印加され、ＰＺＴ振動子１３が発振し超音波が発生する。このＰＺＴ振動子１３で発生した超音波によって、ＰＺＴ振動子１３の露出した表面を満たしている源水２２が霧化されることになる。霧化用ダクト２０は、超音波導波管として機能するものであり、超音波霧化装置１０から発生した超音波振動波が霧化用ダクト２０内に伝搬していることになる。したがって、霧化用ダクト２０に超音波霧化装置１０を設置することによって、霧化用ダクト２０外部からの空気の伝搬がなくなり、超音波の減衰を低減することができる。
【００２８】
すなわち、ＰＺＴ振動子１３から発生した超音波が粗密を繰り返しながら、霧化用ダクト２０内を伝搬することになるのである。このように超音波霧化装置１０を霧化用ダクト２０に設置することによって、ＰＺＴ振動子１３から発生する超音波の減衰を低減することができ、霧化用ダクト２０のダクト長を長くしても、超音波振動波が長い距離でも伝播することが可能となる。したがって、超音波霧化装置１０が設置される設備機器の用途に応じて、霧化用ダクト２０に超音波霧化装置１０を設置することもできるのである。
【００２９】
この実施の形態に係る超音波霧化装置１０を設置可能な設備機器としては、たとえばエアコンや冷凍装置等の空気調和装置の室内ユニットや、ネブライザ（吸入器）、脱臭器、噴霧器、加湿器、冷蔵庫等がある。すなわち、液体を霧化して放射させる必要性のある設備機器であれば、超音波霧化装置１０を設置することができるのである。また、室内ユニットに超音波霧化装置１０を備える場合には、室内ユニット内の殺菌用途に使用することができ、冷蔵庫に超音波霧化装置１０を備える場合には、庫内の食品を乾燥させないように使用することもできる。なお、超音波霧化装置１０を設置する設備機器に応じて、霧化用ダクト２０を設置すればよい。
【００３０】
また、実施の形態では、圧電素子としてＰＺＴ振動子１３を一例として説明したが、これに限定するものではない。たとえば、セラミック型の圧電素子や高分子型の圧電素子等の圧電素子であってもよい。また、霧化用ダクト２０は、円筒状に構成されていてもよく、角柱状に構成し、内部を円柱状にくり抜くようにしてもよい。この場合には、支持部１１も霧化用ダクト２０の形状に応じた形状とするとよい。  
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施の形態に係る超音波霧化装置の概略構成を示す概略構成図である。
【図２】構造体に形成されている保持部を説明するための縦断面図である。
【図３】ＰＺＴ振動子の音響特性を表すグラフである。
【図４】超音波霧化装置の設置例を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  超音波霧化装置、１１  支持部、１２  台座、１３  ＰＺＴ振動子、１４  構造体、１５  粘着層、１６  保持部、１７  正電極端子部、１８  負電極端子部、２０  霧化用ダクト、２１  源水タンク、２２  源水。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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