JP4799687B2

JP4799687B2 - 霧化デバイス

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Publication number: JP4799687B2
Application number: JP2010252737A
Authority: JP
Inventors: 昌隆佐野
Original assignee: CERAFT CO., LTD.
Current assignee: CERAFT CO., LTD.
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: WO2012063374A1; KR20130139752A; CN102985190A; JP2011121050A

Description

本発明は、表面弾性波を利用して液体を霧化する霧化デバイスに関する。

従来から、表面弾性波を伝搬する圧電材料を利用して所定の液体を霧化する霧化デバイスが開発されている。この霧化デバイスによる霧化プロセスにおいては、安定した霧化を行うために液体を膜状に薄く延ばして液体を安定して供給することが重要である。
例えば、特許文献１（特開２００８−１０４９７４公報）には、表面弾性波の伝搬面に微細な隙間を有する保水材（膜形成部材）を設け、この隙間に液体を供給することで霧化させることが記載されている。
また、特許文献２（特開平７−１１６５７４公報）には、振動板に供給された液体を振動板に設けられている穴を通して霧化される超音波霧化装置が記載されている。

特開２００８−１０４９７４公報特開平７−１１６５７４公報

しかしながら、特許文献１の霧化装置は、基体と保水材とが離間していて、基体から霧化されるミストの量が少ないなどの問題がある。また、液体を膜状に供給するために微細な隙間を設ける必要があるため、緻密な精度を要求される部品や細工が必要であり、霧化面の配置向きによっては液体を安定して供給できないという問題もある。
さらに、基体の振動エネルギーによって基体が発熱し表面弾性波発生部に誤動作を生ぜしめるおそれがあった。
また、特許文献２の装置は、振動板に設けられている穴を通して霧化されるので、穴の加工が必要であり、コスト増加のおそれがあった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたもので、多量にかつ均一なミストを霧化させることができる簡易な構造の霧化デバイスを提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、表面弾性波により発生したエネルギーの損失等により発熱を抑制した霧化デバイスを提供することである。
さらに、本発明の他の目的は、特定の機能を有する成分を有したミストを霧化させることができる霧化デバイスを提供することである。

（１）本発明の霧化デバイスは、
圧電材料からなる基体と、
前記基体に直に接触して該基体の表面に液体を供給する保水材と、
前記基体の表面に設けられた表面弾性波発生部と、
前記保水材に接続し保水材に液体を供給する液体貯蔵部と、を具備する霧化デバイスであって、
前記保水材は、その接触する部分が前記基体と線接触して配置されていることを特徴とする。
（２）上記（１）の霧化デバイスにおいて、前記基体は、弾性表面波の進行方向と直交す
る方向に対し、斜めに切断したものであることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）に記載の霧化デバイスにおいて、前記基体には放熱板が設け
られていることを特徴とする。
（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかの霧化デバイスにおいて、
基体に回動機構を設け、回動制御手段による制御により、基体を保水材廻りに回動させる
ようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、液体を吸収させた保水材を基体の表面に直に接触させて配置するので、液体を多量かつ均一に霧化させて、微細なミストとして噴霧させることができる。
また、液体を保水材に保持させておくことができるため、基体の向きのよらず、上、下、横向きに配置することができる。

本発明の実施形態の霧化デバイスの全体構成図である。本発明の実施形態の霧化デバイスに適用される保水材の非長手方向の形状例を示す断面図である。本発明の実施形態の霧化デバイスに係る第一変形例を説明する説明図である。本発明の実施形態の霧化デバイスに係る第二変形例を説明する説明図である。本発明の実施形態の霧化デバイスに係る第三変形例を説明する説明図であり、（ａ）は保水材を基体の上側に配置した場合、（ｂ）は横側に配置した場合、（ｃ）は下側に配置した場合を示す。本発明の実施形態の霧化デバイスに係る基体を説明する説明図であり、（ａ）は先端部を斜めに切断していない基体であり、（ｂ）は先端部を斜めに切断した基体である。本発明の実施形態の霧化デバイスに係る基体の発熱評価結果を示す模式図であり、（ａ）は先端部を斜めに切断したもの、（ｂ）は先端部を斜めに切断しない矩形状のものである。本発明の実施形態の霧化デバイスに係る第四変形例を説明する説明図である。本発明の実施形態の霧化デバイスを放熱板１１に取り付ける態様を説明する説明図である。本発明の実施形態の霧化デバイスを放熱板１１に取り付ける他の態様を説明する説明図である。

本発明の好適な実施の形態では、圧電材料からなる基体と、この基体の表面に設けられた表面弾性波発生部と、基体に直に接触してその接触する部分が前記基体と線接触して配置され該基体の表面に液体を供給する保水材と、
保水材と接続され保水材に液体を供給する液体貯蔵部と、により霧化デバイスは構成され、
表面弾性波発生部により基体の表面に発生した表面弾性波によって保水材から供給される液体が霧化される。
霧化される液体としては目的により種々のものが挙げられ、特に制限はない。例えば蒸留水や、後述する機能性成分が予め含有された溶液などが挙げられる。

基体は、櫛形電極を形成した圧電材料からの振動を伝え、直に接触している保水材に含まれている液体を霧化させる振動板であり、平面を備えた長方形状の圧電セラミックスなどが好適に用いられる。
また、基体の形状は矩形板が用いられるが、表面弾性波の進行方向の先端部が斜めに切断されていてもよい。
先端部を斜めに切断することによって、進行してきた弾性表面波がその先端部で反射する際に、弾性表面波の進行方向を元の方向にもどさせることなく基体内での弾性表面波の進行方向をあらゆる方向に分散させることにより、弾性表面波の減衰を抑制できる。
また、先端部を斜めに切断した形状とすることにより、同一方向に伝播する表面弾性波が先端部に到達する時間に差を形成させることができ、基体の先端部における表面弾性波が反射する際に発生するエネルギー損失等による発熱を抑制することができる。

なお、基体を形成する圧電材料の材質は特に限定はないが、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ＢａＴｉＯ_３系セラミックスやピエゾ（ＰＺＴ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの種々の公知材料が適用可能である。

また、基体は、振動エネルギーを吸収して高温になるので放熱性のあるもの、保水材に対してすべり性のよいもの（保水材を摩耗させないもの）や、液体に対する耐食性のあるものなどが、その表面のコーティングされていることも好ましい。このような要求を満足するものとして、例えば、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティングが挙げられる。

また、基体の表面のうち、保水材から液体が供給される部位には親液処理が行われていることがなお好ましい。
親液処理によって、保水材により供給した液体を基体の表面でより薄く馴染みやすくさせることができ、より安定した霧化を行うことができる。
親液処理としては、テフロン（登録商標）樹脂系コーティングや、ガラス繊維（被膜）系コーティングなど公知の親液コーティングを適用することができる。

また、基体の下部には放熱板が設けられていることが好ましい。基体から発生する熱を放熱させて表面弾性波発生部の誤動作を解消するためである。例えば、アルミニウム板などの金属板である。

表面弾性波発生部は、圧電材料からなる基体の表面に設けられ基体の表面を伝搬する表面弾性波を発生させる部材であり、例えば、スクリーン印刷などによって形成された櫛形電極などが例示され、高周波電源に接続されている。
また、後述の保水材を振動させる機能を備えたものであれば、他の公知のＳＡＷ素子（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ素子）の構成を適用してもよい。

保水材は、吸水性および保水性を有する多孔質の材料で構成される部材であり、その素材としては、セラミックス材料、合成樹脂材料、金属材料などの、多孔体又は繊維成型体（例えば、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維などを束ねたもの）の１種類または２種類以上を複合化して形成されたものが挙げられる。
また、その材質や断面積を変えることで液体の供給量を変えることができ、これにより霧化量をコントロールすることもできる。

基体表面に直に接触する態様としては、保水材を、面、線、又は点で接触させる場合が考えられるが、後述する実験結果から、基体とは線状の態様で直に接触させることが多量のミストを霧化させることができ好ましい。

また、保水材は、基体表面に直に接触して基体の表面弾性波の振動を受けて保有する液体を霧化させる役割を有するものであり、振動する基体との接触摩耗に耐えられるものが好ましい。

また、保水材は、表面弾性波の進行方向に対して直交させずに角度α（例えば１０〜３０°程度）をつけて配置することも可能である。
進行方向に対して直交させずに角度αに配置することにより、表面弾性波が保水材に到達する時間に差を設けることができ、保水材からの霧化のタイミングに時間差を作ることができる。
すなわち、表面弾性波が早く到達した保水材の部分の液体を先に霧化させ、表面弾性波が遅く到達した部分は遅く霧化させるため、保水材に貯留されている液体を長手方向において順に霧化するので、微細なミストを発生させることができる。

保水材を構成する多孔体や繊維成型体のセラミックス材料としては、シリカ、アルミナ、マグネシア、チタニア、ジルコニアのような単一酸化物、または、ムライト、ゼオライト、ベントナイト、セビオライト、アタパルジャイト、シリマナイト、カオリン、セリサイト、珪藻土、長石、蛙目粘度、珪酸塩化合物（パーライト、バナミキュライト、セリサイトなど）が挙げられ、
天然繊維材料としては、パルプ繊維、綿、ウール繊維、麻繊維などが挙げられ、合成樹脂材料としては、ポリエステル、ナイロンやレーヨン、ウレタン（ポリウレタンを含む）、アクリル、ポリプロピレンなどが挙げられ、金属材料としては、ステンレス、銅、チタン、スズ、プラチナ、金、銀などが挙げられる。また、炭素繊維なども好適に用いられる。

多孔体や繊維成型体の形状の他にも、ハニカム構造やコルゲート構造が挙げられ、パイプ状、シート状、プリーツ状なども挙げられる。
保水材としての必要条件は優れた吸水力および保水力を有するということである。
なお、保水材の形状は、その非長手方向の断面形状が円形、半円形、四角形、三角形などの多種のものが考えられ、特に制限はない。
なお、これらの形状の保水材を、基体と線状で直に接触させることによって、保水材からのミストの霧化がより多くしかも均一化できて好ましい。

また、保水材は基体の表面において複数個を並列して配置させることもできる。例えば、表面弾性波の進行方向に対して２個並べて配置させることで、霧化量を増大させることができる。

また、保水材に、水に溶解することのできる機能性成分やコロイド状に分散できる機能性成分を予め含浸させておくこともできる。
後述する液体貯蔵部に予めこれら機能性成分を含有させてもよいのであるが、保水材に予め含浸させた機能性成分を含むミストとして霧化することができることに加え、供給する液体には機能性成分を含ませる必要がないため水分だけを供給することで、機能性成分を霧化することができる。

なお、液体に予め含有させるか、あるいは保水材に含浸させる機能性成分としては、各種のビタミン、アミノ酸、茶菓抽出物（カテキン、タンニン、サポニン、テアニン、カフェインなど）、ヒアルロン酸、コラーゲン、アロマ精油、コーヒー豆、茶菓、ワサビ、ヒノキチオール、キチン、キトサン、プロポリスなどのような有機系可溶性成分が挙げられ、その他、無機物（無機系可溶性成分）では銀または食塩が、コロイド状に分散できる機能性成分としては、白金ナノ粒子などが挙げられる。

ここで、機能性とは、生活環境を快適にして、健康に改善できる性質をいい、消臭性（脱臭、分解など）、抗微生物性（抗菌性、殺菌性、静菌性、抗カビ性、抗ウイルス性など）、リラクゼイション性（アロマテラピー性）、保湿性、抗酸化性、有害小生物忌避性、静電気抑制性、防塵性などのうち、少なくとも一種類の性質を有することを意味する。

液体貯蔵部は、霧化させる液体を収容するとともに、毛細管現象などを利用して、常時、保水材に液体を直接又は間接的に供給する収容容器で構成される。
なお収容容器内の底部に、液量センサを付設してもよい。これにより、例えば液量センサは収容容器内の液体が無くなると信号を発生して液体の補充を促すようにすることができる。
なお、液体貯蔵部と保水材は直接接続されていてもよいし、輸液部材を介して間接的に接続されていてもよい。

輸液部は、保水材や液体貯蔵部と同様に毛細管現象による液体の吸水、輸液が可能な材料で構成されている。
そして、保水材と同様に、繊維、樹脂、セラミックス等からなる部品で構成してもよく、その材質や断面積を変えることで液の供給量を変えることができる。
なお、輸液部や液体貯蔵部の内部にも上述した水に溶解することのできる機能性成分やコロイド状に分散できる機能性成分を予め含浸させておいてもよい。これにより機能性成分を高濃度に、あるいは比較的長期間にわたって機能性成分を散布することができる。

以下に、本発明を適用した霧化デバイスに係る実施例について、図面を参照して詳述する。
図１に示すように、実施例の霧化デバイスは、ＬｉＮｂＯ_３の圧電材料からなる基体１の表面には表面弾性波発生手段としての櫛形電極２が設けられている。
櫛形電極２は高周波電源２１に接続されており、操作者が図示しない入力手段を操作することにより、高周波電源２１から櫛形電極２に電流が流れて櫛形電極間に所定の電圧を生ぜしめ、これにより基体１を微小振動させる。
なお、基体１の先端部１０１は、角度θで斜め形状に切断されている。

また、櫛形電極２からの表面弾性波進行方向の先には、多孔質の繊維で構成された保水材３が基体１の表面に直に接触するように配置されている。
断面円形状の保水材３長手方向の一方の端部は、通水性のあるセラミックス材料で構成された輸液部材４と接続され、輸液部材４を介して間接的に液体貯蔵部５から液体の供給を受けるようになっている。
また、液体貯蔵部５には液体が貯蔵されており、毛細血管現象などにより、常時、保水材３へ液体が供給されるようになっている。

また、基体１の表面には、保水材３が接触する領域を中心に、所定の範囲で親液領域７が形成されている。親液領域７を形成する親液処理としてテフロン（登録商標）がコーティングされている。
このように、基体１の表面のうち保水材３が直に接触する周辺が親液処理されているため、保水材３から供給された液体を基体表面に薄く広げることができ、基体１を振動させて液体を均一に霧化させることができる。
なお、保水材３に界面活性剤を含ませるなどして親液性を持たせることでも同様の効果を得ることができる。

図２に、保水材３の非長手方向の断面形状例を示す。
図１では断面形状が円形の保水材３を用いた場合を示しているが、図２に示すように、その断面形状としては、（ａ）丸形、（ｂ）楕円形、（ｃ）半円形、（ｄ）逆三角形、（ｅ）ダイヤモンド形、（ｆ）四角形などが挙げられる。
（ｃ）の半円形は円弧側が基体１と直に接触させていることが好ましく、（ｄ）の逆三角形のものは断面形状において三角形を逆にしてその１つの角が基体１に接触するようにして配置することが好ましい。
なお、後述するが、多量のミストを発生させる観点や基体１の発熱を抑制するという観点から、保水材３を基体１と直に接触する態様として、面接触よりも線接触させるように配置すること、すなわち、（ａ）丸形、（ｂ）楕円形、（ｃ）半円形、（ｄ）逆三角形、（ｅ）ダイヤモンド形において、その接触する部分が基体１と線接触するような態様で配置することが好ましい。

図３に、実施例の第一変形例を示す。第一変形例では、保水材３と同様に、第二の保水材６が基体１上に直に接触する態様で、表面弾性波の進行方向に、保水材３と並んで配置されており、輸液部材４を介して液体貯蔵部５と接続されている。
第一変形例の霧化デバイスは、複数本の保水材で液体を霧化させるためより多量のミストを発生させることができる。

図４に、実施例の第二変形例を示す。第二変形例では、保水材３は基体１の先端部に接触するように配置されている。先端部は、基体１の振動エネルギーを最も受けやすい部分であり、保水材３からの霧化を、均一にかつ多量に行うことができる。

図５に、実施例の第三変形例を示す。第三変形例では、基体１に回動機構８を設け、ＰＣ等の回動制御手段９による制御により、基体１を保水材廻りに回動させるようにしている。
これにより、保水材３を基体１の上側に配置した場合（ａ）、保水材３を基体１の横側に配置した場合（ｂ）、保水材３を基体１の下側に配置した場合（ｃ）、など、保水材３と基体１との配置関係を多様な姿勢にすることができ、ミストの噴霧方向を自由に設定することができる。
さらには、ミストの噴霧方向を途中で様々な方向に切り換えたい場合などにも適切に対応することができる。
なお、手動にて回動機構８を操作する場合は回動制御手段９は省略することもできる。
また、輸液部材４が介在する場合には当該輸液部材４を伸縮可能な構造とし、基体１の回動に追随させることもできる。

次に、図６を用いて、先端部を斜めに切断した基体の作用を説明する。
図６（ａ）は先端部を斜めに切断していない基体であり、（ｂ）は先端部を斜めに切断した基体である。
（ａ）に示すように、弾性表面波の進行方向２２に対し、基体１の先端部１０１が直交する場合は、表面弾性波発生部２から送出された弾性表面波の進行方向２２は基体１の先端部１０１まで伝搬した後、先端部１０１で反射してその方向を１８０度転換させられ、逆進行方向２２ｂに伝搬を続ける。
このような弾性表面波の逆戻り現象は基体１の共振を招き、霧化されるミストの大きさを粗くしたり基体１の発熱を生ぜしめたりなどの問題点がある。
これに対し、（ｂ）に示すように、
基体１の先端部１０１を、弾性表面波の進行方向２２と直交する方向２３に対し、斜め（弾性表面波発生部方向に角度θ）に切断した基体においては、進行方向２２に進行してきた弾性表面波は、基体１の先端部１０１に到達した後、逆進行方向２２ｂとは異なる進行方向２４に反射し、進行方向２４の反射弾性表面波はさらに基体１の他のエッジで反射した後、進行方向２５に進む。
このように、基体１の先端部１０１を角度θで斜めに切断することで、表面弾性波を様々な進行方向に分散させることができ、霧化するミストの均一化や基体１の共振等による発熱を抑えることができる。
なお、角度θは、先端部１０１で反射する弾性表面波の進行方向を、逆進行方向２２ｂに反射させなければよいので、角度θは０度を超え９０度未満であればよいが、後述する実験結果から、５度〜６０度が好ましく採用される。

基体１の先端部１０１を斜めに切断した基体の発熱評価結果を図７に示す。
先端部１０１を斜めに切断したもの（ａ）と矩形状のもの（ｂ）と、２種類の基体１を放熱板１１であるアルミ板上に取り付け、印加電圧５０Ｖｐ−ｐを負荷したときの基体１の表面温度をサーモグラフィにより測定した。
その結果、角度θに斜めに切断した基体１（ａ）は発熱抑制効果がみられたが、矩形状のもの（ｂ）は発熱があった。具体的な数値は後述する表１に示す。

図８に実施例の第四変形例を示す。
図８に示す第四変形例は、保水材３を角度αで斜めに基体上に配置している。
角度αは表面弾性波の進行方向２２に対して直交する線１０２とのなす角度である。
この場合は、表面弾性波が早く到達した保水材３に貯留されている液体から霧化が進行し、表面弾性波の到達が遅い保水材３に貯留されている液体は遅く霧化させられるため、霧化のタイミングに時間差を作ることができ、基体１における発熱を抑えることができる。

表１に、図６（ａ）に示す基体１の斜めカット角度θを変えて、断面形状が３種類の保水材と組み合わせた場合の、霧化デバイスからのミストの発生量、基体１の発熱温度を評価した実験結果を示す。なお、印加電圧は５０Ｖｐ−ｐとした。
表１の（ａ）は保水材を基体１と直に接触させて（面距離＝０と表記している）実験を行った場合であり、
表１の（ｂ）は保水材を基体１に直に接触させずに、０．５ｍｍ離間させて配置して（面距離＝０．５と表記している）実験を行った場合である。
なお、表中、ミスト量は、ｍｌ／ｈ単位の数値であり、液体貯蔵部５からの減少量を測定した。また、発熱は、基体１の表面温度をサーモグラフィにより測定した。
さらに、保水材の種類は、その断面形状が、丸形（図２（ａ）のもの）、四角形（図２（ｆ）のもの）、逆三角形（図２（ｄ）のもの）の３種類を用いた。
三角形のものは、断面形状において逆三角形にしてその１つの角が基体１に接触するようにして配置した。したがって三角の稜線が基体１と接触している態様になっている。
表１（ａ）の結果より、保水材の断面形状が丸形、逆三角形のものがいずれの斜め角度θでもミスト量が多く、発熱温度も低い。ただし、断面形状が四角形のものはミスト量が少なく実用的ではなかった。
また、表１（ｂ）の結果より、基体１と保水材３を離間させて配置しているものは、いずれの断面形状の保水材であってもミスト量が少なく実用的ではなかった。

図９は、実施形態の霧化デバイスをアルミ製の放熱板１１に取り付ける態様を説明する図である。
図９に示すように、放熱板１１の両サイドの一部を内方に切り欠き、その切り欠いた板部分を内方に折り曲げて、基体１の両サイドを抱きかかえるようにしてカシメ１２、基体１を放熱板１１に取り付けることができる。
図１０は、実施形態の霧化デバイスを放熱板に取り付ける他の態様を説明する図である。
図１０に示すように、放熱板１１の両サイドの一部を内方に切り欠き、その切り欠いた板部分を内方に折り曲げて、基体１の両サイドに設けられた固定用突起１３に止めるようにして、基体１を放熱板１１に取り付けることができる。
なお、図９，１０では、基体に設けられている櫛形電極が露出して記載されているが、実際にはカバーで覆われていてもよい。

本発明の霧化デバイスは、液体を吸収させることのできる保水材を用いてこれに液体を吸収させて基体の表面に直に接触して配置させることで、液体を多量かつ均一に霧化させて、微細なミストとして噴霧させることができ、ミスト発生装置、空気浄化装置、エアコンなどの産業上の機器に適用することができる。
また、基体の向きのよらず、上、下、横向きに霧化デバイスを配置することができ、産業上の利用可能性が極めて高い。

１基体
２櫛形電極（表面弾性波発生部）
３保水材
４輸液部材
５液体貯蔵部
６第二の保水材
７親液領域
８回動機構
９回動制御手段
１１放熱板
１２カシメ
１３固定用突起
２１高周波電源
２２進行方向
２２ｂ逆進行方向
２３弾性表面波の進行方向２２と直交する方向
２４進行方向
２５進行方向
１０１基体の先端部
１０２表面弾性波の進行方向２２に対して直交する線
α 表面弾性波の進行方向２２に対して直交する線１０２とのなす角度
θ 弾性表面波の進行方向２２と直交する方向２３に対し、斜めに切断した基体先端部のなす角度

Claims

圧電材料からなる基体と、
前記基体に直に接触して該基体の表面に液体を供給する保水材と、
前記基体の表面に設けられた表面弾性波発生部と、
前記保水材に接続し保水材に液体を供給する液体貯蔵部と、を具備する霧化デバイスであって、
前記保水材は、その接触する部分が前記基体と線接触して配置されていることを特徴とする霧化デバイス。
前記基体は、弾性表面波の進行方向と直交する方向に対し、斜めに切断したものであることを特徴とする請求項１に記載の霧化デバイス。
前記基体には放熱板が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の霧化デバイス。
前記基体に回動機構を設け、回動制御手段による制御により、基体を保水材廻りに回動させるようにしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の霧化デバイス。