JP4666769B2 - 圧電振動器を用いて液体を噴霧化する制御システム - Google Patents

Description

【０００１】
（関連出願の相互参照）
これは、１９９９年３月５日に出願された米国仮出願第６０／１２４，１５５号の一部継続出願である。
（発明の属する技術分野）
本発明は、圧電振動器を用いる液体の噴霧化に関し、さらに具体的に言えば、このような噴霧化を効率的に、かつ効果的に制御する新規な方法および装置に関する。
【０００２】
本発明はまた、圧電装置を用いて、香水、芳香剤、殺虫剤などの液体作用物質、または他の物質を、細かい吹付けの場合のように、細かい粒子または飛沫の形式で散布する手段にも関する。特に、本発明は、電気機械式または電気音響式のアクチュエータを用いて、液体または懸濁液の飛沫を発生させる圧電液体吐出しシステムを対象としている。さらに具体的に言えば、本発明は、このような装置に用いられる改良された制御回路に関する。
【０００３】
（従来の技術）
圧電振動器を使用して液体を噴霧化することはよく知られていて、このような装置の例は、米国特許第５，１６４，７４０号、米国特許第４，６３２，３１１号、米国特許第４，５３３，７３４号に記述される。一般に、これらの装置は、交流電圧を圧電素子に印加して、その圧電素子を膨張、収縮させる。圧電素子は、多孔オリフィス板に結合され、さらに、このオリフィス板が、液体供給源と接触している。圧電素子を膨張、収縮させると、オリフィス板が上下に振動し、そこで、液体が、オリフィス板の穴に通され、次に、エアロゾル化した細かい粒子の形式で上向きに噴射される。
【０００４】
性能を低下させることなく長期間にわたって動作する電池、及び、電池の動作寿命を超えると電圧出力が低下することが既知で高価ではないアルカリ電池、を使用可能とした電池式圧電噴霧器を提供することが望ましい。
【０００５】
圧電噴霧器を経済的に駆動できるようにする一方法は、圧電噴霧器を制御して、休止期により隔てられた駆動期の間に動作させて、駆動期中の連続する短い吹出しで液体を噴霧化させることである。しかしながら、吹出しと吹出しの間の休止期中に、オリフィス板上に液体が溜まり、次の駆動期において、連続する吹出しを開始させるためには、オリフィス板を、大きい振幅で駆動しなければならない。
【０００６】
電池式圧電噴霧器を経済的に動作できるようにする他の方法は、その噴霧器を、その振動システムの共振振動数で駆動することである。この振動システムは、オリフィス板、圧電素子、および、オリフィス板と圧電素子間の任意の機械的結合部を含む。しかしながら、この共振振動数は、装置ごとにいくらか異なる場合があって、ユニットごとに異なる駆動振動数を設定しなければならないので、問題が起こる。
【０００７】
細かい吹付けまたは噴霧化の形成による液体の散布が、よく知られている。このような散布のための一方法は、超音波圧電バイブレータで発生した音響振動を用いて液体を噴霧化することである。このような方法の一例は、供給される流体を入れるためのノズル室と、このノズル室の少なくとも一部を成す仕切り板とを含むエアロゾル・ディスペンサを開示している米国特許第４，７０２，４１８号に示される。エアロゾル供給ノズルは、タンクからノズルへ液体を導く限定通路とともに、このエアロゾル・ディスペンサ内に設けられている。パルス発生器を低電圧電源と組み合わせて使用して、圧電ベンダーを駆動して、これにより、タンクからの流体がノズルに通されて、エアロゾル吹付けが発生する。
【０００８】
別の噴霧器吹付け装置は、米国特許第５，５１８，１７９号に示されていて、その特許では、複合薄肉構造物を有するアクチュエータにより振動され、かつ曲げモードで動作するようになっているオリフィス板を備えた液体飛沫発生装置が教えられる。液体は、オリフィス板の表面に直接に供給され、オリフィス板が振動すると、細かい飛沫で、その表面から吹き付けられる。
【０００９】
米国特許第５，２９７，７３４号と米国特許第５，６５７，９２６号では、振動板が連結されている圧電振動器を備えた超音波噴霧化装置が教えられる。
【００１０】
米国特許第５，２９７，７３４号では、振動板は、液体を通すために、多数の微小穴を有するものとして述べられている。
【００１１】
多くの追加特許は、超音波噴霧化により液体を散布するか、あるいは、散布間隔を決める手段を開示しているが、それらの手段は、香水などの物質の効率的な噴霧化では、ほどほどの成功しか得られなかった。例えば、米国特許第３，５４３，１２２号、米国特許第３，６１５，０４１号、米国特許第４，４７９，６０９号、米国特許第４，５３３，０８２号、米国特許第４，７９０，４７９号を参照のこと。これらの特許の開示、およびここで参照される他のすべての刊行物の開示は、ここに全部記述されているかのように、参照によって組み込まれる。
【００１２】
このような噴霧器では、オリフィス板を圧電素子と機械的に連結して使用し、かつ吐出し率の変動が非常に小さいかまったくない長期間使用可能な、容易に持ち運びできる電池式ディスペンサは提供できない。さらに、これらの噴霧器の効率は、噴霧器の圧電ポンプ構成要素の製作上の違いのために、異なる場合がある。したがって、非常に効率的であって、液体を広範に散布しながら、最小限の電力を消費する、香水や殺虫剤などの作用流体の散布に用いられる改良された噴霧器またはディスペンサが必要である。
【００１３】
（発明の要約）
本発明は、種々の面において、上記の問題を克服する。
【００１４】
一面において、本発明は、噴霧化される液体が供給されるオリフィス板が振動して、その表面から液体を、エアロゾル化した細かい液体粒子の形式で押しやるタイプの振動性液体噴霧器を動作させる新規な方法を含む。この新規な方法には、液体の噴霧化を起こすために、最初に、比較的に大きい振幅でオリフィス板を振動させ、その後、噴霧化を持続させる程度の比較的に小さい振幅でオリフィス板を振動させる段階が含まれる。
【００１５】
別の面において、本発明は、圧電作動素子が、交流電圧により付勢されて、膨張、収縮し、それにより、噴霧化される液体が供給されるオリフィス板を振動させて、オリフィス板の振動が、前記液体を噴霧化して、オリフィス板から前記液体を、エアロゾル化した細かい液体粒子の形式で吐き出すようにするタイプの圧電振動性液体噴霧器を動作させる新規な方法を含む。この新規な方法には、液体の噴霧化を起こすために、最初に、比較的に高い交流電圧を前記圧電作動素子に印加して、前記圧電作動素子に、大きい振幅でオリフィス板を振動させ、その後、噴霧化を持続させるために、比較的に低い交流電圧を前記圧電作動素子に印加する段階が含まれる。
【００１６】
さらに他の面では、本発明は、オリフィス板、噴霧化される液体をオリフィス板に供給するようになっている液体導管、および、液体の噴霧化を起こすために、最初に、駆動期の間、比較的に大きい振幅でオリフィス板を振動させ、その後、同一駆動期の間、噴霧化を持続させる程度の比較的に小さい振幅でオリフィス板を振動させる目的で連結された振動アクチュエータを備える新規な振動性液体噴霧器を含む。
【００１７】
さらに他の面では、本発明は、振動するように装架されたオリフィス板、オリフィス板が振動しているときにオリフィス板に液体を供給するようになっている液体供給導管、圧電素子が膨張し、収縮するときにオリフィス板を振動させる目的で、このオリフィス板に結合された圧電作動素子、および、駆動期の間、圧電作動素子に交流電圧を供給して、圧電作動素子を膨張させ、収縮させ、それによりオリフィス板を振動させて、前記液体を噴霧化し、前記液体を、エアロゾル化した細かい液体粒子の形式で吐き出すようにする目的で、接続された電力供給システムを備える新規な振動性液体噴霧器を含む。この電力供給システムは、液体の噴霧化を起こすために、最初に前記圧電作動素子に高い交流電圧を印加して、前記圧電作動素子に、比較的に大きい振幅でオリフィス板を振動させ、その後、噴霧化を持続させるために、比較的に低い交流電圧を前記圧電作動素子に印加する目的で接続された回路を含む。
【００１８】
本発明の主目的は、香水、芳香剤などの液体、あるいは他の液体を供給する非常に効率的な方法を提供することである。このような他の液体には、家庭用の清掃物質、殺菌剤、消毒剤、防虫剤、殺虫剤、アロマテラピー製剤、薬物、治療液、あるいは、使用にあたって噴霧化から得るところがある他の液体または懸濁液がある。これらの配合物は、水からなるか、あるいは、様々の溶剤を含む場合がある。
【００１９】
本発明の目的は、半球形のオリフィス板を圧電素子と機械的に連結して使用する容易に持ち運びできる電池式ディスペンサ用の改良された制御回路を提供することである。この圧電ポンプは、何ヶ月もの間ずっと、一貫した吐出しを保ちながら、低電圧の電池で、この期間の間、効率的に動作することができる。圧電噴霧器は、９ボルト電池、Ａ型、単３（ＡＡ）型、単４（ＡＡＡ）型、単２（Ｃ）型、単１（Ｄ）型の電池などの従来の乾電池、ボタン電池、腕時計用電池、太陽電池のような電源に使用できる。本発明と組み合わせて利用する好ましいエネルギー源は、単３（ＡＡ）型、単４（ＡＡＡ）型の電池である。
【００２０】
この圧電ポンプは、ポンプ構成要素の製作上の違いを補償する回路を備えている。このような回路の電子部品はプログラム可能であり、これらの部品を使用して、正確な吐出し率（ミリグラム／時間、以後、ｍｇ／ｈｒで表わす）を設定する場合がある。別の方法として、この電子回路により、消費者は、個人的な好み、奏効性のために、または、部屋の大きさによって、強さまたは有効度を調整してもよい。
【００２１】
本発明の好ましい実施例では、本発明の上記および他の目的は、前に記述したような香水、殺虫剤、および他の液体用の噴霧器で達成されるが、そこでは、噴霧化システムが、供給される液体用の室、液体の散布のために液体を前記室からオリフィス板に供給する手段、圧電素子、エネルギー源、および、圧電素子を駆動し制御する改良された回路を含む。圧電素子を駆動する信号の振幅と周波数を制御することで、優れた結果が得られることがわかった。したがって、本発明は、全散布期間を通じて、供給される液体をさらに一様に噴霧する手段を提供して、散布開始時の単位時間当たり散布される量が、散布終了間近に、または散布終了時に散布される量とは大して違わないようにしている。本発明の上記およびさらに他の目的と利点は、以下の説明から明らかになるが、ただし、このような説明は、単に好ましい実施例の説明にすぎない。したがって、本発明の全範囲を理解するためには、クレームに頼るべきである。
【００２２】
本発明はまた、上述の特徴との組合せで追加的な利点を提供する、後述される他の具体的な特徴も含む。
【００２３】
（好適な実施態様の詳細説明）
図１に示すのはこの発明に従って操作される振動性噴霧装置である。この装置は、中心孔１２と円形オリフィス板１４を有する環状の圧電アクチュエータ１０から成り、この円形オリフィス板１４はアクチュエータ下面の孔１２を横切って伸び、アクチュエータの内側領域１５と若干重なり合っている。このオリフィス板１４は重なり合い領域１５においてアクチュエータの下面に固定される。部材１４を圧電エレメント１０に固定するために何らかの適当な接合手段が用いられる。しかし、オリフィス板を圧電アクチュエータに結合する材料を溶解したり、軟化させたりする傾向のある腐食性の、すなわち浸食性の液体を噴霧化するために、この装置を採用する場合には、このオリフィス板は、錫−鉛系または銀系のはんだを用いて圧電素子にはんだ付けすることが好ましい。
【００２４】
かくして、図示の実施態様では、電場がその上方ならびに下方表面を横切って適用されると、圧電アクチュエータ１０は半径方向に膨張または収縮するようになる。例えば、圧電アクチュエータ１０は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）またはメタニオブ酸鉛（ＰＮ）から造られたセラミック材料である。この明細書で図示する実施態様では、圧電アクチュエータはその外径が約０．３８２インチで、厚さが約０．０２５インチである。中心孔１２の直径は約０．１７７インチである。これらの寸法は重要ではなく、単に実施例によっている。
【００２５】
図示の実施態様のオリフィス板１４は、直径が約０．２５０インチであって、厚さが約０．００２インチである。オリフィス板１４には若干ドーム形をした中心部分１６があり、これを包囲する可撓性フランジ部分１８があり、このフランジ部分１８は、ドーム形中心部分と、オリフィス板のアクチュエータ１０への取付け部分との間に伸びている。ドーム形中心部分１６は直径が約０．１０３インチであって、オリフィス板の平面の外側に約０．００６５インチだけ伸びだしている。このドーム形中心部分１６には幾つかの（例えば８５個）小孔２０があり、それらの直径は約０．０００２３６インチであり、孔間の間隔は相互に約０．００５インチである。フランジ部分１８には直径方向に相対する一対の孔２２がある。これらの孔は直径が約０．０２９インチである。
【００２６】
やはり、これらの寸法は重要ではなく、単に特定の実施態様の図解用のものである。
【００２７】
注意すべきことは、小孔２０を含む中心部分１６をドーム形にすることによりこの部分が堅固になり、作動中に湾曲することがなく、これに対して孔２２を有するフランジ部分１８は可撓性を維持するので作動中に湾曲する、ということである。ドーム形中心部分は形が球状を呈するが、この部分の堅固性を維持するならばどんな形でも採用できる。例えば、この中心部分１６は放物線形または弓形とすることができる。
【００２８】
オリフィス板１４は小孔２０のある電鋳により製作するのが好ましく、孔２２はこの電鋳工程中に形成される。しかし、オリフィス板は他の工程、例えば圧延などにより製造可能であり、また小孔加工及び孔加工は別途に実施される。製造の容易化のために、中心部分１６は、オリフィス板に小孔１８の加工が施された後にドーム状に成形される。
【００２９】
オリフィス板１４は、ニッケル以外の材料を用いてもよいが、ニッケル製が好ましく、ニッケルを用いることにより、オリフィス板の形状を維持すると同時に撓みの力への露呈に対しても充分な強度と可撓性が得られる。使用できる合金の実施例の幾つかに、ニッケル−コバルト系合金とニッケル−パラジウム系合金がある。
【００３０】
圧電アクチュエータ１０は、このものを所定位置に保持し、しかもこのものの振動と干渉しないような適当な方法であれば、どのようなやり方で支持されてもよい。このように、このアクチュエータはグロメット式装着方法（図示せず）で支持可能である。またその他の導電性材料、例えば銀とニッケルを含む材料により形成されるコーティングも用いてよい。
【００３１】
圧電素子１０は、その上方及び下方の表面に、アルミニウムのような導電性コーティングが施される。図示のように、アクチュエータ１０の上方及び下方の表面の導電性コーティングに対して電気的リード線２６，２８がはんだ付けされる。これらのリード線は交流電圧発生源（図示せず）から伸びている。
【００３２】
噴霧化される液体３１が入っている液体タンク３０は、アクチュエータ１０とオリフィス板１４の下方に装着される。芯３２がタンク内部から立ち上がってオリフィス板１４の下面に達し、中心部分１６にあるオリフィス板１４に軽く接触し、その結果この芯は小孔２０に接触する。しかし、この芯は孔２２には決して接触せずこれらの孔は芯から側方に変位している。芯３２は多孔質の可撓性材料で製造されていて、この材料は、オリフィス板１４の下面に液体を引き上げるように、タンク３０の中の液体に優れた毛細管作用を提供する。これと同時に、この芯は可撓性が充分であるから、芯の振動と干渉するオリフィス板に対して圧力を印加することはない。これらの諸条件を前提として、芯３２は幾つかの種類の材料、例えば、紙、ナイロン、木綿、ポリプロピレン、ガラス繊維などのいずれの材料で製造してもよい。芯３０の好ましい形態はナイロンシェニール糸であり、この糸はオリフィス板に接触する箇所で折り曲げられる。このことがオリフィス板にまで伸び上がるための非常に細い繊維から成るひもとすることができる。これらの非常に細い繊維は、液体をオリフィス板にまで上昇させるような毛細管作用を生じさせる能力があり、しかし、これらの細い繊維は、これらの繊維の振動と干渉するオリフィス板に対して何らかの大きさの力を印加することはない。
【００３３】
噴霧器の操作において、外部電源からの交流電圧が、アクチュエータ１０の上方及び下方の表面に施された導電性コーティングに対して、リード線２６，２８を経て印加される。これによりアクチュエータ材料に圧電効果が生じ、その結果このアクチュエータは半径方向に膨張、収縮する。結果として、中心孔１２の直径は、これらの交流電圧に従って増減する。直径のこのような変化は半径方向の力としてオリフィス板１４に適用され、そしてその結果として、フランジ部分１８が撓曲し、ドームの中心部分１６を押して上下させる。この作動が、芯３２によって中心部分１６の下面にもたらされた液体に対するポンプ作用を引き起こす。芯の毛細管作用により、オリフィス板１４の下面に接する液体の圧力を、オリフィス板上方の大気圧力よりも僅かに高く設定させる。その結果として、液体３１は強いて小孔２０を通って上方に持ち上げられ、そして微細化したエアロゾル液体粒子として、オリフィス板の上方表面から噴出させる。
【００３４】
図２に示すのは本発明に従う圧電可動素子１０の一連の作動状態である。図２に示すように、この一連の作動は継続時間が５．５ミリセカンドの交流駆動期と、継続時間が９ないし１８秒の休止期に分けられる。
【００３５】
５．５ミリセカンドの駆動期中は、圧電可動素子１０の駆動に使用する電圧は３．３ボルトから下がって約１ボルトにまで指数関数的に減少する。このように、圧電可動素子１０は立ち上がり時は高振幅で駆動され、この高振幅により液体をその表面から処理し、噴霧化を開始する。その後圧電作動素子はかなり小さい振幅で駆動されるのであり、この小さい振幅は作動を維持するには充分だが、最小量の駆動力を消費するだけである。ここで理解すべきことは、本発明は、特定期間中の高振幅及び低振幅における１サイクルに限定するものではなく、しかし実際には、高振幅及び低振幅の反復は噴霧化を持続する上で必要な回数を何回でも繰り返される、ということである。
【００３６】
各駆動期の経過した後、このシステムは９ないし１８秒間の休止期に入る。各休止期の最初の４秒間中にこのシステムは再充電されて３．３ボルトに戻り、この電圧は次の駆動期中に使用するように維持される。ある種の用途に対しては、高振幅駆動及び低振幅駆動の連続は何らの休止期も介在することなく連続して繰り返されるということがやはり理解されるべきである。
【００３７】
特筆すべきは、可動素子１０は、素子１０がわずか１．５ボルトの供給電圧源により駆動される場合に、液体３１を噴霧化するのに充分な振幅でオリフィス板１４を駆動する能力がある。しかし、噴霧化を開始するためには、以前の休止期中に素子の外側表面に溜まった液体の膜を処理するように充分な振幅でオリフィス板１４を振動させるため、素子１０はもっと高い供給源電圧、例えば３．３ボルトを使って駆動されなければならない、ということである。このように、オリフィス板１４は、噴霧化を開始するための高振幅の振動を生ずるために、立ち上がり時は高パワーで駆動される。しかし一旦噴霧化が始まると、かなり低い振幅の振動を用いて噴霧化を継続することができる。駆動電圧を指数関数的割合で３．３ボルトから１ボルトに減らすことにより、全消費エネルギーは減らされ、その結果としてバッテリー寿命をかなり延ばすことができる。
【００３８】
各５．５ミリセカンドの駆動期の終了時において、このシステムは９ないし１８秒間の「休止期」に入る。この休止期の長さは、この後説明するセレクタースイッチにより９秒、１３．５秒、または１８秒に設定できる。
【００３９】
各休止期の当初の４秒間は、システムを１ボルトから３．３ボルトに戻すように駆動する供給電力を再充電するために使用される。よって、次に続く駆動期が始まると、オリフィス板１４は、当初は３．３ボルト駆動電圧供給源からの高振幅で駆動される。
【００４０】
オリフィス板１４の振動の振幅は、振動を発生するために使われる電圧に依存するだけでなく、オリフィス板を駆動する周波数にも依存する。その理由は、オリフィス板１４と、圧電駆動アクチュエータ１０と、そしてこれらの何れかの部材間の相互連結を含む振動システムが自然共振周波数を持っているからである。この振動がその共振周波数で駆動されると、オリフィス板の振動の振幅は最大化され、それと同時に駆動パワーが最小化される。しかし、製造上の許容誤差があるので、オリフィス板とアクチュエータシステムの共振周波数は装置毎に異なる。
【００４１】
この問題を解決するために、オリフィス板とアクチュエータシステムの共振周波数の高調波を含む範囲にわたって、駆動周波数が変化し、あるいは掃引される。よって、駆動周波数は、基本の自然共振周波数（最初の高調波）を含む範囲に及んで、あるいはオリフィス板とアクチュエータシステムの自然共振周波数の幾つかを含む高い高調波範囲以上に及んで掃引すべきである。このように、特殊なシステムの規定の共振周波数は公知ではなくても、このシステムを周波数のある範囲を介して駆動することにより、この周波数範囲内のある点において共振させることができる筈である。図２に示すように、駆動周波数は１２０から１６０キロヘルツの間の事前設定した周波数範囲に及んで掃引される。周波数範囲は、それぞれの５．５ミリセカンド駆動期中に、少なくとも１１回前後に掃引される。駆動振幅に関連して以前に説明したように、周波数掃引はやはり休止期を介在させずに連続して実施される。
【００４２】
図３は、本発明に従って圧電可動素子１０を駆動するために使用する回路構成を説明する概略ブロック図である。説明目的から、この回路構成は、点線で示した機能的ユニットのグループごとに説明してある。これらの機能的ユニットとは次の通りである。
【００４３】
（ａ）操作パワー供給ユニット４０、
（ｂ）駆動電圧パターン制御ユニット４２、
（ｃ）駆動信号増幅ユニット４４、
（ｄ）圧電可動素子１０、
（ｅ）掃引周期制御ユニット４６、
（ｆ）周波数パターン制御ユニット４８、
（ｇ）低電圧電池検出及び制御ユニット５０。
【００４４】
これらのユニットのそれぞれの配置は共通の一体構成回路５２（輪郭点線で示す）の中に形成され、その一方で、その他の配置は印刷回路盤（図示せず）に対して、以後もっと充分に説明する一体構成回路５２と共に装着される。
【００４５】
図３の回路構成の操作については、機能的ユニット４０，４２，４４，４６，４８及び５０の全体的操作に関して先ず説明する。そしてその後、個々の機能的ユニットの個別の操作について説明する。
【００４６】
「機能的ユニットの全体的説明」
操作パワー供給ユニット４０は、１．５ボルト単３（ＡＡ）アルカリ電池５４の出力電圧を、３．３ボルト操作電圧に変換する。３．３ボルト操作電圧は、駆動電圧パワー制御ユニット４２を含むシステム内の他の回路にパワーを与えるために使われる。
【００４７】
駆動電圧パワー制御ユニット４２は、操作電圧を、図２に示す連続性の５．５ミリセカンド駆動期中における３．３ボルトから１ボルトへの概ね指数関数的減少に従わせる。ここで注意すべきことは、指数関数的減少は本発明にとって重要ではないということである。それぞれの駆動期の開始に当たって一旦噴霧化が立ち上げられると、噴霧化の機能が維持される限り、電池出力を保持するために電圧はできるだけ速やかに下げられる。
【００４８】
駆動電圧パワー制御ユニット４２からの電圧は駆動信号増幅制御ユニット４４に供給され、ここでこの電圧は増幅され、そして圧電可動素子１０にエネルギーを付与するために使われる掃引周波数電圧出力に変換される。
【００４９】
掃引周期制御ユニット４６は、図２に示す掃引周期の長さを制御する。図示の実施態様では、これらの掃引周期は、９，１３．５あるいは１８秒の継続時間に対して設定できる。掃引周期は他の継続時間に対して設定できるが、この場合これらの継続時間は、駆動電圧パワー制御ユニット４２を次の駆動期に対するその３．３ボルトレベルに戻させるように、操作パワー供給ユニット４０をもってくるのに充分な長さとなっている。この実施態様においては、３．３ボルトへの再充電には約４．５秒を要する。
【００５０】
周波数パワー制御ユニット４８は、１２０と１６０キロヘルツ間を掃引される周波数をもつ交流電圧信号を生ずる。この信号は駆動信号増幅及び周波数制御ユニット４４に適用され、このユニット４４は順番にこれらの周波数において、そして駆動電圧パワー制御装置４２により設定された駆動期電圧パターンに対応する減少振幅において、圧電アクチュエータ１０を駆動する。
【００５１】
低電圧電池検出及び制御ユニット５０は電池５４の出力電圧を感知し、そしてこの出力電圧が事前設定したレベル、すなわち電池がもはや信頼できるように操作されないレベルにまで低下した場合は、この検出及び制御ユニット５０は出力の更なる操作を拒否する。これと同時に、ユニット５０は電池５４を消耗させて、この電池が噴霧化装置に対して不慮の突発的な作動をさせるのに充分な出力電圧を回復できないレベルとする。
【００５２】
「操作パワー供給ユニット」
操作パワー供給ユニット４０は、電池５４に加えて、ポンプ作動コイル５６、ツェナーダイオード５８及び記憶キャパシタ６０を含む。電池５４はその陰極における接地線とポンプ作動コイル５６の間に連結される。コイル５６の他方の端末はツェナーダイオード５８の陽極に連結されると共に、ダイオードの陰極は記憶キャパシタ６０の一方の側面に連結される。キャパシタ６０の他方の側面は接地線に連結される。電圧制御スイッチ６２の一方の側面はコイル５６とダイオード５８の間に連結されると共に、スイッチ６２の他方の側面は接地される。スイッチ６２は、２００キロヘルツポンプ作動発振器６４の出力によって、２００キロヘルツの割合で交番的に開閉される。電圧検出器６６はツェナーダイオード５８と記憶キャパシタ６０間にある点における電圧を感知するように連結される。電圧検出器６６は高感度電圧出力端子６６ａと低感度電圧出力端子６６ｂとを有する。これらの出力端子はポンプ作動発振器６４の停止入力端子６４ａと起動入力端子６４ｂにそれぞれ連結される。
【００５３】
ポンプ作動発振器６４の起動入力端子６４ｂは、やはり電池５４の１．５ボルト出力を直接受入れるように連結される。このように電圧検出器の低感度電圧端子６６ｂと電池５４の出力端子は、オアゲート６８を経てポンプ作動発振器６４の起動端子に連結される。
【００５４】
電池５４が先ず装着されると、その１．５ボルト出力はオアゲート６８を経て、ポンプ作動発振器６４の起動入力端子に供給されて発振器の操作を開始させる。発振器の出力は、スイッチ６２を２００キロヘルツの割合で開閉させる。スイッチが閉じられると、電池５４からの電流はポンプ作動コイル５６を経て接地に流れる。次いで、スイッチ６２が閉じると、電流は突然遮断され、ポンプ作動コイルのインダクタンスがポンプ作動コイルに突発的な電圧上昇を引き起こさせ、これが電流のツェナーダイオード５８の通過を許し、記憶キャパシタ６０への流入をさせる。スイッチ６２が再び開かれると、ポンプ作動コイルの電圧は下がり、しかしダイオード効果によって電流はコイル５６を通って逆流しない。発振器６４が操作を続けるので記憶キャパシタ６０の電圧は３．３ボルトに達するまで増大する。
【００５５】
記憶キャパシタ６０の電圧は電圧検出器６６により検出され、この検出器は電圧がちょうど３．３ボルト以上に来た時点で、その高感度電圧出力端子６６ａにおいて信号を発する。この信号は発振を停止させながら、スイッチ６２を開放位置として、発振器６４の停止端子６４ａに供給される。結果として、電流が記憶キャパシタから取除かれると、その電圧は、電圧検出器６６がその低感度電圧端子６６ｂにおける信号を発する電圧に達するまで低減する。
【００５６】
低感度電圧は発振器６４の起動端子６４ａに適用され、この発振器６４はスイッチ６２のスイッチ作用を再開させ、そして電流の記憶キャパシタ６０への更なるポンプ作動を開始させる。
【００５７】
ここで分かることは、キャパシタ６０における電圧は、電圧検出器６６の設定電圧の高低によって、３．３ボルトを挟んでこれより若干上下する電圧の間にふらつくことになる、ということである。キャパシタ６０の電圧３．３ボルトは、出力パワー供給端子７０によって表されるように、残余の構成要素を操作するのに供給される。
【００５８】
「駆動電圧パターン制御ユニット」
駆動電圧パターン制御ユニット４２は、その一端で操作パワー供給ユニット４０の中の記憶キャパシタ６０に連結される抵抗器７２から成る。抵抗器７２の他方の端末は電圧パターン制御キャパシタ７４の一方の側面に連結される。このキャパシタの他方の端末は接地される。抵抗器７２とキャパシタ７４は標準的ＲＣタイミング回路を形成し、そして抵抗器とキャパシタ間の接合部７６の電圧は指数関数的割合で減少し、この場合接合部は有限インピーダンスに連結される。本発明の実施態様においては、接合部７６における電圧は、約５．５ミリセカンド中に３．３から１ボルトに低減する。
【００５９】
「駆動信号増幅ユニット」
駆動信号増幅ユニット４４は、駆動電圧パターン制御ユニット４２の中の接合部７６と、圧電作動素子１０の一方の側面との間に、直列に連結された単巻変圧器７８と平滑化コイル８０を有する。また電界効果トランジスター８２が設けてあってこのものは単巻変圧器７８に沿う点７８ａと地面との間に連結される。電界効果トランジスター８２はスイッチとして作用し、そしてこのトランジスター８２が周波数パターン制御ユニット４８からプラス電圧を受けた時、このトランジスター８２は導電性をもつようになり点７８ａを地面に連結する。
【００６０】
点７８ａは駆動電圧パターン制御ユニット４２に最も近い単巻変圧器７８の上方端末近傍に配置され、単巻変圧器のコイルの低位部分だけが、点７８ａと駆動電圧パターン制御ユニット４２間に存在する。点７８ａが地面からの連結を断たれると、単巻変圧器の影響により加動素子１０に最も近いその端末において極めて高い電圧を生じ、この素子を膨張、収縮させる。単巻変圧器のからの電圧信号は先ず平滑化コイル８０を経て通過し、この信号を、加動素子１０の発振器パターンに一層接近して対応するパターンに変換する。
【００６１】
「休止期制御ユニット」
休止期制御ユニット４６は、３位置選択スイッチ８４を有し、このスイッチ８４の共通端子は接地され、このスイッチの３位置端子の内の２つの端子は、時間制御抵抗器８６，８８を介してサンプリングスイッチ９０に連結される。スイッチ９０は次に３．３ボルト供給電圧に連結される。第３のスイッチ端子は連結されない。
【００６２】
抵抗器８６，８８はやはり異なる電圧を供給するために、接地してある特別なスイッチ端子を用いて、休止期論理回路９２に連結される。論理回路９２は抵抗器８６，８８から受入れる電圧を比較し、そして３つの異なる電圧の１つを出力端子９２ａから出力する。この電圧は休止デューティサイクル回路９４に適用されるのであり、この回路９４は論理回路９２からの信号を受信した後、９，１３．５または１８秒のどれかにおいて、出力端子９４ａから出力するタイマーとして作用する。
ユニット４６にはシステムタイミング時計９６が設けてあり、この時計は２キロサイクルの割合で時計信号を提供する。これらの時計信号は、デューティサイクル回路９４を含むこの装置のタイミング回路とテーブル読取り回路の全てに対して使用される。
【００６３】
デューティサイクル回路９４が、既に設定してある９，１３．５または１８秒間隔のどれかに到達すると、この回路９４は、圧電作動素子１０の駆動を開始するために、周波数パターン制御ユニット４８に供給される出力端子９４ａで信号を生ずる。これが実施される方法は周波数パターン制御ユニット４８の説明との関連において以後に説明される。
【００６４】
休止デューティサイクル回路の出力端子９４ａにおける信号はやはり駆動タイマー９８に供給され、このタイマー９８は圧電作動素子１０に対する駆動時間周期を設定する。図示の実施例では、この駆動時間周期は５．５ミリセカンドである。この周期の終点において、駆動タイマー９８は出力端子９８ａから信号を発する。この信号は周波数パターン制御ユニット４８に伝達され、圧電作動素子１０の駆動状態を不連続とする。
【００６５】
駆動タイマー９８ａからの信号はまたサンプリングスイッチ９０に送信されこのスイッチ９０を直ちに閉じる。このことが選択スイッチ８４の設定によって選択されている抵抗器８６または８８を横切って電圧降下を引き起こす。もしもこの選択的スイッチがその連結されていない端子に設定されると、電圧降下は生じない。かくして、圧電電圧、第１電圧または第２電圧が生ずると、それぞれの場合にサンプルスイッチ９０が閉ざされる。この電圧は、休止選択スイッチ８４の位置に対応する休止時間継続を立ち上げるために、休止時間選択論理ユニット９２に適用される。よって、圧電作動素子１０のそれぞれの駆動期の終点において、新規の休止期が立ち上げられ、そしてこの休止期の長さは、この休止期が始まる時の選択スイッチの存在位置によって決まる。
【００６６】
「周波数パターン制御ユニット」
周波数パターン制御ユニット４８は掃引ずみ周波数発振器１００を含み、この発振器１００は本発明の実施例では、１３０キロヘルツと１６０キロヘルツの間を掃引する周波数をもつ三角形の波形の出力を生ずる。この出力は駆動期オン及びオフスイッチ１０２に適用される。このスイッチ１０２は、休止デューティサイクル回路９４の出力端子９４ａからの信号によって閉じられ、そして駆動タイマー９８の出力端子９８ａからの信号によって開かれるように連結されている。かくして、発振器１００からの可変周波数出力は、圧電作動素子１０に対する５．５ミリセカンド駆動期中だけ、駆動期オン及びオフスイッチ１０２を経て通る。
【００６７】
スイッチ１０２を通る可変周波数出力は、波形電圧しきい値検出器１０４に適用される。このデバイスは個々の出力サイクル内の特定点、すなわち発振器からの信号電圧が事前設定したしきい値に達した時点のそれぞれのサイクル内の点にある出力端子１０４ａにおける出力信号を掃引ずみ周波数発振器１００から発する。
【００６８】
この波形電圧しきい値検出器１０４からの出力信号は、駆動スイッチを閉じさせるために駆動スイッチ１０６に適用される。この駆動スイッチ１０６は閉じられると、３．３ボルトパターン供給源のような正電圧を電界効果トランジスタ８２のゲート端子に連結し、このトランジスタ８２に導電性を与える。
【００６９】
電圧しきい値検出器１０４の出力からの信号はまた波弓形制御タイマー１０８に供給される。このタイマーは、掃引ずみ周波数発振器１００の１サイクルの継続時間よりも小さい固定継続時間の後出力信号を発する。
【００７０】
タイマー１０８からの出力信号は駆動スイッチ１０６に適用されこのスイッチ１０６を開かせ、この駆動スイッチ１０６を開くことにより電界効果トランジスタ８２を非導電性となし、その結果電流はもはや、単巻変圧器７８の上方部分から地面まで流れなくなる。この時間中に、この単巻変圧器は、極めて大きい電圧を圧電作動素子１０に印加する。
【００７１】
これまでの説明から分かることは、掃引ずみ周波数発振器１００の１サイクルのそれぞれの出力サイクル進行中は、駆動制御スイッチ１０６は固定継続時間だけ閉じられていて、固定量のエネルギーを発生して圧電作動素子１０を駆動させる、ということである。これと同時に、これらの固定継続時間の連続性をもつ固定継続時間の間の時間的間隔は可変周波数発振器１００の周波数によって変化する。個々の駆動サイクルのこの固定した駆動継続時間は、圧電作動素子１０を可変周波数で駆動させ、それと共にこの駆動エネルギーを周波数から独立して保持する。このように、圧電作動素子１０の駆動エネルギーまたは振幅は、駆動電圧パターン制御ユニット４２内にある、キャパシタ７４と抵抗器７２間の接合部７６における特定時間の電圧に単独に依存させられる。結果的に、個々の駆動期中に、圧電作動素子１０は低減しつつある振幅における変動周波数において駆動される。この周波数はそれぞれの駆動期中、１３０キロヘルツと１６０キロヘルツの間を約１１回掃引され、それと同時に駆動振幅は一旦低減する、ということが理解されよう。
【００７２】
「低電圧電池検出及び制御ユニット」
低電圧電池検出及び制御ユニット５０が操作してこのシステムを操作状態に保持し、その操作時間は、電池５４がその電圧レベルを事前設定継続周期、すなわち個々の休止期の最初の４秒間の内の３．３ボルトレベルにまでポンプにより設定する能力をもつ限り継続される。ユニット５０は、低電圧電池タイマー１１０から成り、このタイマー１１０は操作パワー供給ユニット４０の中の電圧検出回路６６の低電圧出力端子６６ｂからの起動タイミング入力信号を受信するために、そして電圧検出回路６６の高電圧出力端子６６ａからの停止タイミング信号を受信するために連結されている。このように、操作が供給電圧を３．３ボルトまでポンプ作動を開始する時は何時でも、低電圧電池タイマー１１０のタイミング操作が開始される。
【００７３】
例えば４秒間というタイマーに設定された継続時間の中でポンプ作用が完了すると、電圧検出器６６の高電圧端子からの信号がタイミング作用を停止する筈である。しかし、電池の劣化時に発生するように、もしもポンプ作用がより長時間継続するならば、低電圧電池タイマー１１０は、出力端子１１０ａで信号を発信する。
【００７４】
低電圧電池タイマー１１０ａからの信号は、スイッチを閉じた状態に保つために駆動スイッチ１０６の閉じる端子１０６ａに適用される。これによりトランジスタを導電性状態に保持するために、３．３ボルト供給源に対して電界効果トランジスタ８２のゲートを固定する。結果として、キャパシタ６０と７４の電圧は取除かれ、電流は電界効果トランジスタ８２を経て電池５４から地面に引かれる。この作用により電池の残余の寿命を強制的に取り除くのであり、その結果、電池は、電池が劣化した場合にしばしば起こるような、電圧の僅かな量でも回復させたいような事態における圧電作動素子１０の突発的な操作ができなくなる。
【００７５】
本発明の駆動システムによれば、圧電アクチュエータを駆動するために安価な低電圧アルカリ性電池を使用可能であること、及びこのアクチュエータの操作は、もしも電池自身が消耗したとしても均一に維持されることが理解されよう。電池が事前設定したレベルにまで劣化した場合、その操作を縮小して続けることをせず、積極的に停止する。
【００７６】
これらの図面ならびにその関連の論議は、本発明の好適な実施態様を指向しているが、本発明自体は図示の内容よりもずっと広範である。特に本発明は、電池のパワーを用いるよりもむしろ従来の電力、すなわち壁面プラグを使用して駆動される噴霧器と同様に、例えば片持ち梁及び／または増幅板のような圧電噴霧器の別な形態に、等しく適用可能である。
【００７７】
この明細書に示す特定の回路構成は、本発明にとって重要ではないこと、そして改変の可能性は当業者に容易になされるであろうことが理解されよう。この明細書に示す回路構成は、最も明確に図解してあり、しかも本発明の重要概念について説明してある。
【００７８】
図４はプリント配線盤２０１と、その中に配置される圧電素子２０２の間の一般的関係の図である。この回路盤は使用上、噴霧器の台座に取付けられ、この台座は次に装飾的殻体状のハウジング、または容器（図示せず）の中に置かれ使用される。台座盤２１１は図８に平面図で示すと共に、ハウジングは図示せず。装飾的容器すなわちハウジングは、噴霧器の構成要素を保持し保護し、同時に消費者に快適な外観を提供するのであれば、そして液体を噴霧状態で噴霧器カラ大気中に通すことができるならば、適当などんな形態すなわち形状であってもよいということが理解される。このような事情から、噴霧器のハウジングは散布する液体を使用する上で、そしてこの液体と接触する上で、何らかの種類の適当な材料を高速成形することによって具合よく製造できる。
【００７９】
圧電素子２０２は、回路盤２０１に図示するように装着され、グロメット２０４によるか、または素子の振動を妨げない何らかの同様な適当な手段によって、適当な位置に保持される。リング形状をした圧電素子２０２は、オリフィス板２０３を環状に囲む状態に配置され、しかも一緒に振動が伝わる状態にオリフィス板のフランジに取付けられる。圧電素子は大体、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）またはメタニオブ酸鉛（ＰＮ）のような圧電セラミック材料から成るが、圧電特性をもつ材料であれば何でもよい。
【００８０】
オリフィス板はこの目的に適うものであればどんな従来材料であってもよいが、好ましくは電気めっきしたニッケルとコバルト組成の材料がよく、この組成の材料はフォトレジスト基板上に形成されていて、このフォトレジスト基板は次工程において、従来技法によって取除かれるのであり、その後に均一な多孔質組織をもつニッケルとコバルトの組成が残され、この組成の厚さは約１０ミクロンないし約１００ミクロン、好ましくは約２０ミクロンないし約８０ミクロン、さらに好ましくは約５０ミクロンである。オリフィス板にとって、他の適当な材料には、例えばニッケルとか、マグネシウム−ジルコニウム系合金、その他各種金属、合金、複合材料あるいはプラスチックが、ここれらの適当な組合せ材料と同様に利用可能である。電気めっきによってニッケルとコバルトの組成層を形成することにより、フォトレジスト基板の外形をもつ多孔質組織が得られ、この組織においては、出口側で約６ミクロン、入口側でもっと大きい直径の円錐形の孔を形成することにより、透過性が得られる。オリフィス板はドーム型、すなわち中心部分が若干持ち上っているが平坦から放物線形に変化する形状、あるいは半球形、もしくはその他の性能を強化できる適当な形状であることが好ましい。このオリフィス板は、その中にある開口が実質的に同一の振動の振幅にこれからも露呈され、それと同時に開口の直径方向に均一に分布している液体粒子を取除くことを保証するために、比較的高度な湾曲剛直性をもたねばならない。
【００８１】
オリフィス板または開口を包囲する環状のセラミック圧電素子の形態で図示してあるが、本発明はやはり、隔膜と接触する発振器と片持ち梁、ノズル、あるいは液体粒子すなわち霧の散布に好適なオリフィス板から成る従来の圧電素子を用いるのに適している。
【００８２】
また図４に示すのは、芳香剤、空気清浄剤、殺虫剤、あるいはその他の散布剤の貯蔵と準備用の液体容器２０５である。図示のように、この容器は蓋２０８で閉じてある。また図示にはバヨネットクリップ２０６があり、このものは図示せず脱着自在な頂部蓋、すなわちキャップを保持するためにあって、容器の輸送と貯蔵の場合に使用され、しかも容器を散布装置の中に置いて、その内容物を使用したくなった場合には、容易に取除くことができる。蓋２０８から出ている瓶開口２０９は液体供給手段２０７、芯すなわちドーム形液体供給媒体を突出させる。便宜上、液体供給手段を芯として扱うが、この液体供給手段は、硬質毛細管システムから軟質多孔質芯に到るまで多数の形状の変わった材料から造ることができる。芯の機能は、液体を容器２０５からオリフィス板に接触する位置までゆそうすることである。従って、芯は輸送される液体の影響を受けず、多孔質で、オリフィス板に順応させなければならない。芯の多孔質は芯の可撓性の全範囲に及んで、しかも芯形状の如何を問わず、均一な液体流を充分提供しなければならない。オリフィス板表面に対して液体を最良な状態で輸送するには、液体をオリフィス板に輸送するように芯自身がオリフィス板に物理的に接触する必要があることが分かっている。液体がオリフィス板に送給されるには、送給される液体の実質的に全量が、表面張力によってオリフィス板表面に粘着しそして移動する、そのようなやり方によるのが好ましい。適切な芯用の材料の中で、我々が利用する上で好ましいと思うような材料としては、紙、またはナイロン、木綿、ポリプロピレン、ガラス繊維などがある。芯はその形状が、芯が併置されるオリフィス板の表面に合致し、液体容器２０５の蓋２０８の瓶開口２０９の中にある芯ホルダーすなわち芯位置決め装置２１０によって正しい位置に保持されることが好ましい。液体は液体の粘度と表面張力の結果として芯からオリフィス板まで容易に流れる。注意すべきことは、芯は液体の再供給ユニットの一体構成部分として含まれることを意図していて、この再供給ユニットは容器と、液体と、瓶の蓋と、芯と、そして芯ホルダーすなわち芯の位置決め装置を、貯蔵ならびに輸送用のユニットを封止する頂部蓋と同様に含んで成る、ということである。そのようなユニットはかくして、消費者の都合により散布装置の中に好適に配置された散布装置用の再充填瓶から成っている。この目的に対して、液体容器２０５は、頂部蓋すなわちキャップを取除いた後、操作位置に固定するために台座２１１内の適当な受入れ手段の中に挿入する取付け手段２０１と瓶の蓋２０８を有する。
【００８３】
図６には、断面図により、本発明の液体容器２０５と、芯２０７と、圧電素子２０２と、そしてオリフィス板２０３の間の組立て関係を示す。圧電素子２０２は、例えばプリント配線盤２０１においては、グロメット２０４または圧電素子の振動を拘束しない何らか適当な手段によって位置決めされる。本発明の好適な実施態様においては、環状の圧電素子が、これと機械的連結をするオリフィス板２０３を包囲する。オリフィス板は順番に芯２０７と接触し、そして容器２０５からオリフィス板に向けて液体を散布させ、ここで表面張力の接触により液体の移動が起こる。図示しないが、散布装置の台座ボールは、回路盤と液体容器とを適当な位置に保持して、芯２０７をオリフィス板２０３と併置される位置に置くようにする。芯２０７は芯ホルダー２１０により蓋２０８の開口内に保持され、この芯ホルダー２１０は可撓性芯２０７に自由度を与えて芯２０７の調節範囲を設けるようにし、同時に芯尾部２１５が、容器２０５内の液体全量の完全活用を保証する。この自由度により、芯のオリフィス板表面に対する自己調節が可能となり、製造上の条件変化に伴う位置の変動に対して補償をなし、そして容器からオリフィス板表面に到る液体の移動に対する従順な送給手段を提供する。同業技術の熟練者にとって明らかなように、図６，７に示すように、芯の高さは、図７に示すように液体間隙２１４を変えるように調節可能であり、芯とオリフィス板間の適切な接触程度を保証する。芯とオリフィス板間の関係を更に詳しく見るために、図６の断面を拡大した詳細図である図７に注意を向けると、ループ形芯２０７があり、この芯はオリフィス板２０３と併置関係にあり、その結果液体間隙２１４が生じていて、この間隙２１４内では移送される液体がオリフィス板と表面張力接触をしている。図７には芯とオリフィス板とが実際に接触していない状態が示してあるが、この間隙は単に図解用のものであり、オリフィス板２０３は、液体の移送のためには実際には芯２０７に接触する。図示のように、蓋２０８内の開口２０９を通る芯２０７の通路は、芯ホルダーまたは位置決め部品２１０により制御される。図７はやはり、瓶の蓋２０８に対する脱着自在なキャップ（図示せず）を保持するクリップ２０６と同様に、圧電素子２０２、オリフィス板２０３及びオリフィス板フランジ２１２に対する装着用グロメット２０４を示す。
【００８４】
図８は、回路盤２０１と、圧電素子２０２と、オリフィス板２０３と、装着グロメット２０４と、そして台座盤２１１との関係を示す平面図である。前に示したように、オリフィス板２０３と環状関係にある圧電素子２０２は、グロメット２０４を用いて回路盤２０１の中の適当な位置に保持される。回路盤は、クリップ２１７と位置決めブラケット２１８などの通常のやり方で台座盤２１１に装着される。
【００８５】
図９では、本発明の簡略化された断面図を用いて各種構成要素の全体的関係を示す。オリフィス板２０３はオリフィス板フランジ２１２を含む状態が示してあり、このフランジ２１２は次に、例えばエポキシ樹脂接着剤のような適当な取付け手段２１３を用いて圧電素子２０２に取付けられている。芯２０７は、液体間隙２１４を創出しながらオリフィス板２０３との部分的接触状態が示してあり、この構成により散布される液体はオリフィス板に移送される。芯がやはり示してあるが織物尾部２１５をもち、この尾部２１５は図示しない液体容器２０５の中に伸びている。
【００８６】
圧電素子２０２は、延長周期全体に及んで確実な性能を提供するために、回路盤２０１上の回路構成によって制御される。図１０を参照すると、制御回路は特定の一体構成回路（ＡＳＩＣ）３００によって実施され、この回路３００は電池１０２からの電力を受ける。電池３０２は電荷ポンプ３０４に連結され、このポンプ３０４は外部構成部品３０５と共に直流から直流への逓昇変換器として作用する。電荷ポンプの操作はステート機械３０６によって制御され、このステート機械３０６は、発振器３０８からタイミング信号を受取り、この発振器３０８は、例えば電荷ポンプ３０４に適用される２０ＭＨｚのクロック信号を発生する。状態機械はまた、低電圧電池指示器回路３１０からの指示を受け取る。
【００８７】
制御回路の官能性及び明らかにステート機械３０６は、ステート機械３０６に対する入力信号Ａ，Ｂ，Ｃを生ずる１組の３選択スイッチ３１２によって決められる。選択スイッチ３１２からの状態機械入力端子は、個々のプルアップ抵抗３１３に連結され、これらのプルアップ抵抗３１３は、ステート機械３０６からのイネーブル信号によって正の供給電圧Ｖｃｃに選択的に接合される。このことが、制御回路の不活動貴課間中に電池パワーを保存するために、電圧をプルアップ抵抗３１３から断続させる。説明されると思うが、状態機械の操作は、圧電素子２０２を駆動するための振幅と３０１周波数をもつライン３１４に出力信号を生ずる。ライン３１４上の出力信号は出力駆動機構２１６を介して接合されて、ＡＳＩＣ３００の出力を生ずる。出力駆動機構２１６は、金属酸化物電界トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）３１６の導電性状態を制御し、このＭＯＳＦＥＴ３１６は次いで電荷ポンプ３０４から圧電素子２０２への電流の流れを制御する。
【００８８】
ステート機械３０６の詳細が図１１に示してある。ステート機械３０６の好適な実施態様では応用特定集積回路におけるハードウェア回路構成を利用するが、二者択一的に言って、マイクロプロセッサー及びその関連の回路構成のような、プログラミング可能なデバイスによって実施が可能である。ステート機械３０６は決定論理回路３２０をもっていて、この回路には選択機構入力Ａ，Ｂ及びＣが適用される。決定論理回路３０６はやはり、圧電素子２０２を駆動する出力信号に対する周期とデューティサイクルに関するデーターを選択的に含む記憶装置３２２，３２４に接触している。決定論理回路は適当な周期とデューティサイクル値とをそれぞれ記憶装置３２２，３２４にから選択し、これらをそれぞれ周波数計数器３２６と振幅計数器３２８の予荷重入力に移送する。これらの計数器３２６，３２８は発振器３０８からクロック信号を受け取り、そして決定論理回路３２０からの信号により使用可能にされる。この後説明すると思うが、周波数計数器３２６がカウントダウンして零になると、ＰＥＲＩＯＤと指示した出力パルスを生じ、このＰＥＲＩＯＤはフリップフロップ回路３３０のセットに適用される。同様に、振幅計数器３２８が零に達すると、フリップフロップ回路３３０のリセット入力であるＤＵＴＹ信号を生ずる。このフリップフロップ回路は決定論理回路３２０からの信号により作動可能となり、ライン３１４に出力信号を生ずる。
【００８９】
圧電素子２０２用の駆動機構回路は、圧電素子２０２にパワーを付与するために振幅と周波数の変調を利用し、このようにして可搬式の電池操作による散布装置を提供して、エヤートレフナーまたは殺虫剤の用途に連続使用される。この回路構成は比較的低電圧の電池３０２を用いる操作時間の延長を可能とし、構成要素の送給速さの１範囲を提供する。この回路は間欠的デューティサイクルを利用する振幅と周波数の変調により圧電素子２０２を駆動する。電気回路はプログラミングが可能であり、そして１時間当たりミリグラム単位の精密な噴霧化送給速さを設定するのに用いられる。これは選択スイッチ３１２によって達成されるのであり、この選択スイッチはサイクル間の空き時間の調節を使用者にさせることになり、このようにして、強度と有効性の比率の値は、個人の好みと個々に異なる室の大きさによって所望のレベルに変更する。噴霧器の性能は圧電素子１０２の励起電圧に直接関係する。しかし、電圧を上げると、噴霧器は電池エネルギーが限定されて効率が劣化するということがやはり発見されている。従って、高いレベルから低いレベルに励起電圧の振幅を変えることにより、低減した効率にはまり込むことなしに、送給性能が強化された。この結果は、「高性能」方式で噴霧化を立ち上げる瞬間的な高レベルの励起によって得られるものである。その後は、性能のこのレベルを維持するには、低レベルの励起が単に必要となるだけである。
【００９０】
本発明の発明者はまた圧電素子２０２用の最適操作周波数は、圧電素子２０２のような、回路構成及び噴霧器構成要素の中の製造上の相違によると信じられているところにより、ユニットからユニットに変動するということを見いだしている。この現象は事前設定範囲を通して励起周波数を掃引して、ユニットからユニットへの変動を補償することにより解決できる。
【００９１】
本発明の駆動回路構成のもつ別の特徴は、電池の充電状態に関係なく、活性ある構成要素の定常的な送給を提供することである。この回路構成は、圧電素子２０２を脈動させるために充分な電荷を蓄積する部分３１８を含む。電池電圧が劣化すると、この回路は、適正量のエネルギーが確実なポンプ作動に活用できるように保証をする。回路がもはや適正なエネルギーを提供できなくなる点まで、電池電圧が下がると、この回路構成はこのユニットを停止する。このように、この回路構成は電池３０２の電荷の状態には関係なく、一定の出力送給を提供する。電池電圧が下がって一定の送給出力が出来なくなる点に達すると、噴霧器は停止する。
【００９２】
噴霧器の操作中は、制御回路は、一般的には休止期に相当する低パワー方式でその操作時間の大部分を費やす。休止状態においては、発振器３０８からの信号は、ステート機械３０６の決定論理回路３２０の中のタイマーを駆動している。この休止期中は、状態機械のライン３１４にある出力信号は低い論理レベルであり、そのために圧電素子１０２を不活性にする。休止状態の周期は比率選択スイッチ３１２及びステート機械３０６に対する特別な入力Ａ，Ｂ及びＣを設定することにより決められる。スイッチの設定方法と得られる信号Ａ，Ｂ及びＣとの関係を表Ａに示す。
【００９３】
【表１】

【００９４】
もしも比率選択スイッチ３１２が、噴霧器が停止するように設定されるか、あるいは低電圧電池回路２４０が、電池３０２の電荷が正常操作が不可能な点まで下がったことを検出する場合には、変調シーケンスが実施できず、噴霧器は不作動状態になる。
【００９５】
噴霧器が作動状態にあってステート機械（state machine）３０６が起動していると、短い出力信号を発信し、あるいは圧電素子１０２を駆動する。ステート機械３０６は、周波数範囲及び振幅範囲を掃引する圧電素子を駆動する信号を発する。好適な実施態様においては、１９個の振幅値がデューティサイクル表３２２に記憶され、４０個の周波数値が周期表に記憶される。決定論理回路３２０には内蔵タイマーがありこのタイマーは２６．２マイクロセカンド毎に振幅値と周波数値とを表の回収される次のセットに入れ、そして２つの計数器３２６，３２８に負荷される。分離している振幅値と周波数値の数は異なるので、所定の周波数が圧電素子１０２を駆動するために周期的に使用されるのでその振幅がやはり変動するように、振幅は変化する。この概念は図１２に示してあり、この図では、周波数は周期表３２２の４０個の値（１３５ＫＨｚ〜１５５ＫＨｚ）について掃引するので、振幅はデューティサイクル表３２４からの１９個の値を経て掃引される。注意すべきことは、４０は１９によって割り切れないので、周波数掃引を繰り返す場合は、第１周波数（１３５ＫＨｚ）は振幅値を３個もつということである。
【００９６】
この工程は図１１の決定論理回路３０６を用い、周波数計数器及び振幅計数器を作動させて実施される。計数器３２６と３２８は出力ライン３１４の交代信号の周期ならびにデューティサイクルを制御する。根本的に、２基の８ビット予荷重可能計数器３２６と３２８は、発振器３０８によって発せられた２０ＭＨｚクロック信号を、２つの表３２２と３２４からの値によって分割し、出力信号の周期とデューティサイクルを制御する。周波数計数器は２０ＭＨｚクロック信号を、１３５ＫＨｚと１５５ＫＨｚ間の値に下げて分割する。２６．２マイクロセカンド毎に決定論理回路は、周期表３２２からの次の周波数値を得て計数器をリセットし、そしてこの値を予荷重計数ラインを経て周波数計数器３２６に負荷する。この負荷は適当なカウントダウン値により計数器３２６に再負荷する。
【００９７】
これと同時に、表３２４から新しいデューティサイクル値が得られ、振幅計数器３２８に負荷される。デューティサイクル値はライン３１４の出力信号のパルス幅を１．４マイクロセカンドと５．０マイクロセカンドの間の値に変える。このデューティサイクルは出力信号の振幅を制御し、周期が長引けば一層大きい振幅が得られる。
【００９８】
ライン３１４の出力信号はディジタル信号であり、この信号は出力駆動装置２１６を経て適用されパワーＭＯＳＦＥＴ３１６の導電状態を制御する。計数器３２６と３２８はフリップ／フロップ３１４の操作を制御し、このフリップ／フロップ３１４は矩形波形出力信号を生じ、この矩形波形出力信号は、２基の計数器３２６と３２８によって決められるように、また図１２の３４０と３４４に示すように、周波数とデューティサイクルを変える。
【００９９】
本発明について、現在好適な実施態様であると考えられる態様について説明してきたが、本発明は開示した実施態様に限定するものではないことを理解すべきである。その反対に、本発明は添付の特許請求の範囲のもつ思想と範囲に収まっている各種改変ならびに等価の構成を覆うことを意図するものである。以下の特許請求の範囲は、あらゆるこのような改変ならびに等価の形態や機能を包括するように最も広範な解釈に適うものである。
【０１００】
（産業利用性）
この出願書で述べられている本発明の噴霧化システムは、例えば空気清浄器、香水もしくは殺虫剤などを、所定の如何なる環境に対しても、長周期にわたって自動散布するために使用可能であり、この散布作業は、噴霧器（ディスペンサ）を駆動する電池の使用寿命を超えて、散布する雰囲気に対して等量の液体を均一に散布するという利点ををもっている。更に、噴霧器は電池の再充電と交換によって思いのままに再使用可能であり、そのため、使用者は散布液体を所望の通り変更することができるのであり、付加的な利点として、使用者個人の好み、有効性もしくは室の広さに対して所望のレベルに散布液体の量を変えて噴霧化の強度すなわち効果を所望のレベルに調節可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が使用される噴霧化装置の切断立面図である。
【図２】 本発明による図１の装置の動作を示すタイミング図である。
【図３】 本発明による制御システムの要素の配置構成を示す概略ブロック図である。
【図４】 好ましい実施例による圧電噴霧器に適した回路基板の一部の斜視図である。
【図５】 オリフィス板の表面に導くのに適した液体容器と液体運搬手段の斜視図である。
【図６】 一体組付の際における液体容器、送り手段及び圧電素子の関係を示した断面図である。
【図７】 図６において、この円内に納められた範囲の細部拡大図である。
【図８】 圧電素子と、好ましい実施例のシャーシに実装されたプリント基板の上面図である。
【図９】 本発明の好ましい実施例に適した圧電ポンプ・アセンブリを非常に簡略化した断面図である。
【図１０】 圧電素子を駆動する好ましい制御回路のブロック図である。
【図１１】 図１０のステート機械の詳細図である。
【図１２】 制御回路の出力信号の変調をグラフで描いた図である。

Claims (34)

1. オリフィス板（１４）が振動しない休止期と交互に現れる駆動期の間、噴霧化される液体（３１）が供給されるオリフィス板（１４）が振動して、前記オリフィス板の表面から前記液体（３１）を、細かい液体粒子の形式で運ぶ形式の振動性液体噴霧器を作動する方法であって、前記方法が、
   前記液体の噴霧化を起こすために、各駆動期の初めに、前記オリフィス板（１４）の外面から液体の膜を取り除くのに十分な比較的に大きい振幅で前記オリフィス板（１４）を振動させる工程と、
   その後、前記噴霧化を持続させるのに十分な比較的小さい振幅で前記オリフィス板を振動させる工程と、
   を含み、
   前記駆動期の残りの部分において、前記オリフィス板を前記小さい振幅で振動させることを特徴とする方法。
2. 前記オリフィス板（１４）を振動させる前記工程が、時間とともに概ね指数関数的に減少する振幅で前記オリフィス板（１４）を振動させることで実行されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記オリフィス板（１４）を振動させる前記工程の間、振動数が、前記オリフィス板（１４）を含む振動システムの固有共振振動数の倍振動を含む振動数範囲にわたって変更可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記工程を実行している間、前記振動数範囲にわたって、振動数が数回、掃引されることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 交流電圧により付勢されて、膨張及び収縮する圧電作動素子（１０）を用いて、前記オリフィス板を振動させる方法であって、
   比較的に大きい振幅の振動が、高い交流電圧を前記圧電作動素子（１０）に印加することで得られること、及び、比較的小さい振幅の振動が、低い交流電圧を前記圧電作動素子（１０）に印加することで得られることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 最初に高い交流電圧を印加し、その後、さらに低い交流電圧を印加する工程が、連続する駆動期の合間の期間中にコンデンサ（７４）を充電し、前記駆動期の間に前記コンデンサ（７４）を放電させ、前記駆動期の間に前記コンデンサ（７４）の両端の電圧に相当する交流電圧を発生させ、前記交流電圧を前記圧電素子（１０）に印加することにより、実行されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 最初に高い交流電圧を印加し、その後、さらに低い交流電圧を前記圧電作動素子（１０）に印加する工程が、他端が前記圧電作動素子（１０）に接続されているコイル（７８）の一端に減少直流電圧を印加し、同時に、前記コイル（７８）のうち前記一端にもっとも近い、小さい方の部分を、各駆動期の間に、高いレートにて、高速でアースに接続しかつアースから切り離すことにより、実行されることを特徴とする請求項５記載の方法。
8. 前記高速の接続と切離しが、前記オリフィス板（１４）と前記圧電アクチュエータ（１０）を含むシステムの固有共振振動数の倍振動を含む可変レートにて実行されることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記コイル（７８）の前記部分をアースに接続している期間が互いに等しいことと、前記コイル（７８）の前記部分をアースから切り離している期間が多様であることと、を特徴とする請求項７記載の方法。
10. 最初に高い交流電圧を印加する工程には、電池（５４）を、コイル（５６）とダイオード（５８）を通じてコンデンサ（６０）に接続して、前記コイル（５６）と前記ダイオード（５８）の間の一点を次々にアースに接続し、アースから切り離して、前記電池の電圧よりも高い調整電圧まで前記コンデンサ（６０）を充電する工程が含まれることを特徴とする請求項５記載の方法。
11. 前記コンデンサ（６０）を充電するのに必要な期間が、駆動期を大幅に超えることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 接続し、切り離す前記工程が、各休止期の後で開始されて、所定の駆動期の間、続くことを特徴とする請求項７記載の方法。
13. 前記コイル（５６）と前記ダイオード（５８）の間の前記一点をアースに接続し、アースから切り離す期間の長さを決め、また所定の期間を超える前記期間に応じて、前記電池をアースに接続して、その電池を完全に放電させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
14. 所定の期間を超える前記接続および切離しに応じて、前記圧電作動素子（１０）に交流電圧をさらに印加するのを防止する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. オリフィス板（１４）と、
    噴霧化される液体（３１）を前記オリフィス板（１４）に供給するようになっている液体導管（３２）と、
    前記オリフィス板（１４）が振動しない休止期と交互に現れる駆動期の間、前記オリフィス板（１４）を振動させる目的で連結され、かつ、前記オリフィス板（１４）に結合された振動アクチュエータ（１０）であって、駆動期中の振動が、駆動期の初めには、前記液体の噴霧化を起こすために大きい振幅であり、その後、前記噴霧化を持続させるのに十分なさらに小さい振幅となるような振動アクチュエータ（１０）と、
    を有する振動性液体噴霧器であって、
    駆動期の残りの部分において、前記振動は前記小さい振幅であることを特徴とする振動性液体噴霧器。
16. 前記振動アクチュエータには、ある駆動期後、所定の期間の休止期に、前記オリフィス板の振動を終了させ、その後、前記大きい振幅で、次に前記小さい振幅で前記オリフィス板（１４）を振動させる工程を繰り返すコントローラ（５２）が含まれることを特徴とする請求項１５記載の振動性液体噴霧器。
17. 前記コントローラ（５２）が、前記駆動期の間、時間とともに概ね指数関数的に減少する振幅で前記オリフィス板（１４）を振動させるように構成されていることを特徴とする請求項１６記載の振動性液体噴霧器。
18. 前記オリフィス板（１４）を含む振動システムの固有共振振動数の倍振動を含む振動数範囲にわたって振動数が変わるような方法で前記オリフィス板（１４）を振動させる目的で連結された振動数掃引要素（１００）が前記コントローラ（５２）に含まれることを特徴とする請求項１６記載の振動性液体噴霧器。
19. 前記振動数掃引要素が、前記駆動期の間、前記振動数範囲にわたって、振動数を数回、掃引させるように構成されていることを特徴とする請求項１８記載の振動性液体噴霧器。
20. 圧電作動素子（１０）が膨張し、収縮するときに前記オリフィス板（１４）を振動させる目的で、前記オリフィス板（１４）に結合された圧電作動素子（１０）と、
    駆動期の間、前記圧電作動素子（１０）に交流電圧を供給して、前記圧電作動素子（１０）を膨張させ、収縮させ、それにより前記オリフィス板（１４）を振動させる目的で接続された電力供給システム（４０、４６、９６、４８、４２、４４）であって、前記大きい振幅の振動が、前記圧電作動素子（１０）に高い交流電圧を印加する電力供給システム（４０、４２、４４、４６、４８、９６）によって得られ、また前記小さい振幅の振動が、前記圧電作動素子（１０）に、さらに低い交流電圧を印加することで得られるような電力供給システムと、
    を有することを特徴とする請求項１５乃至１９のいずれかに記載の振動性液体噴霧器。
21. 前記電力供給システム（４０、４２、４４、４６、４８、９６）が、
    タイマ（９４、９８）と、
    前記駆動期後の前記休止期の間に前記圧電作動素子（１０）への交流電圧の印加を終了し、その後、引き続く駆動期の間に、前記圧電作動素子（１０）への交流電圧の印加を再開するように接続されて設定されたスイッチ（９２）と、
    を含むことを特徴とする請求項２０記載の振動性液体噴霧器。
22. 前記電力供給システム（４０、４２、４４、４６、４８、９６）が、駆動期の開始時に高い初期値の電圧であって、前記駆動期中は概ね指数関数的に低下する前記電圧を供給できる電圧供給回路（４０、４２）を含むことを特徴とする請求項２１記載の振動性液体噴霧器。
23. 前記オリフィス板（１４）を含む振動システムの固有共振振動数の倍振動を含む振動数掃引範囲を有する可変周波数発振回路（１００）が前記電力供給システム（４０、４２、４４、４６、４８、９６）に含まれることと、前記発振回路（１００）が、可変周波数信号を前記圧電作動素子（１０）に印加する目的で接続されることを特徴とする請求項２０記載の振動性液体噴霧器。
24. 前記可変周波数発振回路（１００）の振動数掃引レートが、前記駆動期の間に、数回、前記振動数範囲にわたって前記交流電圧の周波数を前後に掃引するようなものであることを特徴とする請求項２３記載の振動性液体噴霧器。
25. 前記電力供給システム（４０、４２、４４、４６、４８、９６）が、電荷供給コンデンサ（７４）と、連続する駆動期の合間の期間中に前記電荷供給コンデンサ（７４）を再充電する目的で接続された充電回路およびタイミング回路（７２）とを含み、
    前記電荷供給コンデンサ（７４）が、前記駆動期の間に前記圧電作動素子（１０）に駆動電圧を供給しながら放電するために接続され、交流電圧発生回路（４４）を含み、前記駆動期の間に前記コンデンサ（７４）の両端の放電電圧に相当する交流電圧を発生させ、さらに前記交流電圧を前記圧電作動素子（１０）に印加することを特徴とする請求項２０記載の振動性液体噴霧器。
26. 前記電力供給システム（４０、４２、４４、４６、４８、９６）が、一端が減少電圧源（４２）に接続され、また他端が前記圧電作動素子（１０）に接続されているコイル（７８）と、前記コイル（７８）のうち、前記一端にもっとも近い小さい方の部分を、各駆動期の間に、高いレートにて高速でアースに接続しかつアースから切り離す目的で接続されたスイッチング回路（４８、８２）と、を含むことを特徴とする請求項２０記載の振動性液体噴霧器。
27. 周波数が、前記オリフィス板（１４）と前記圧電作動素子（１０）を含むシステムの固有共振振動数を含む可変レートにて前記高速の接続と切離しを実行するものである発振器（１００）により動作させる目的で、前記スイッチング回路（４８、８２）が接続されていることを特徴とする請求項２６記載の振動性液体噴霧器。
28. 前記スイッチング回路（４８、８２）が、前記コイル（７８）の前記部分をアースに接続する期間が互いに等しくなるようなパターンに従わせて前記接続及び切離しを起こすように設定されていることと、前記コイル（７８）の前記部分をアースから切り離している期間の長さが様々であることを特徴とする請求項２６記載の振動性液体噴霧器。
29. 前記電力供給システム（４０、４２、４４、４６、４８、９６）が、前記噴霧器に電力を供給する電池を含むことを特徴とする請求項２０乃至２８のいずれかに記載の振動性液体噴霧器。
30. 前記電力供給システム（４０、４２、４４、４６、４８、９６）が、
    電池（５４）と、
    コイル（５６）と、
    電荷供給コンデンサ（６０）に電流を供給する目的で接続された互いに直列接続のダイオード（５８）と、
    前記コイル（５６）と前記ダイオード（５８）の間の一点から接続されたスイッチ（６２）と、
    前記電荷供給コンデンサ（６０）の電圧が第１のさらに低い電圧よりも降下する場合次々と前記スイッチ（６２）を開閉するため、及び前記電荷供給コンデンサ（６０）の電圧が第２のさらに高い電圧を超える場合前記スイッチ（６２）を開放しておくために、接続されたスイッチ動作回路（６４）と、
    を含むことを特徴とする請求項２０記載の振動性液体噴霧器。
31. 前記コイル（５６）と前記電荷供給コンデンサ（６０）とが、振動性液体噴霧器の駆動期を大幅に超える期間にわたって前記電荷供給コンデンサ（６０）の充電が続くようにした規模であることを特徴とする請求項３０記載の振動性液体噴霧器。
32. 前記コイル（７８）の小さい方の部分を高速で接続し、切り離す目的で接続された前記スイッチング回路（４８、８２）が、各休止期の後で始動し、また所定の駆動期の間続くようになっていることを特徴とする請求項２６記載の振動性液体噴霧器。
33. 前記電力供給システム（４０、４２、４４、４６、４８、９６）が、前記スイッチ（６２）の前記連続する開閉の期間を測定し、また所定の期間を超える前記期間に応じて、前記電池（５４）をアースに接続して前記電池を完全に放電させる目的で接続されたタイマー（１１０）をさらに含むことを特徴とする請求項３０記載の振動性液体噴霧器。
34. 前記コイル（５６）と前記ダイオード（５８）の間の前記一点に接続された前記スイッチ（６２）の開閉の期間が所定の長さの超過した場合に応じて作動させるようになっていて、作動すると前記作動素子への交流電圧の供給を終了させるように接続されている別のスイッチ（１０６）をさらに含むことを特徴とする請求項３３記載の振動性液体噴霧器。

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