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JP6801335B2 - 超音波振動子駆動装置およびメッシュ式ネブライザ - Google Patents

超音波振動子駆動装置およびメッシュ式ネブライザ Download PDF

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Description

この発明は超音波振動子駆動装置に関し、より詳しくは、固有の共振周波数をもつ超音波振動子に対して、駆動電圧（交番電圧）を印加して駆動する超音波振動子駆動装置に関する。また、この発明は、そのような超音波振動子駆動装置を備えたメッシュ式ネブライザに関する。
従来、この種の超音波振動子駆動装置としては、例えば特許文献１（特開２００６−１８１４９６号公報）に、消費電力を低減するために、駆動電圧の周波数を超音波振動子の共振周波数を通過するように時間と共に可変（スイープ）させるものが開示されている。
また、特許文献２（特開２００５−２６１５２０号公報）に、複数の超音波振動子を駆動する場合に駆動電圧の周波数を無調整にするために、超音波振動子の共振周波数の最小値と最大値とを十分含んだ区間をスイープ範囲とするものが開示されている。
特開２００６−１８１４９６号公報 特開２００５−２６１５２０号公報
ところで、上記超音波振動子が、例えばメッシュ式ネブライザを構成するのに広く用いられているような、圧電素子とこの圧電素子の振動を伝えるホーンとが一体に組み合わされたタイプのもの（適宜「ホーン振動子」と呼ぶ。）である場合、図８から分かるように、Ｑ値（共振の鋭さ）が非常に高い。このため、図９に例示するように、或るホーン振動子（固有の共振周波数をｆｒとする。ｆｒの単位はｋＨｚとする。）について、駆動電圧の周波数の実用的な範囲は、（ｆｒ−０．８ｋＨｚ）からｆｒまでの範囲Δｆに限られている。なお、図８、図９では、横軸が駆動電圧の周波数を表し、縦軸がホーン振動子のインピーダンス（実線で示す）と位相（破線で示す）を表している。この結果、特許文献１、２に記載されたように、単に駆動電圧の周波数をホーン振動子の共振周波数ｆｒを通過するように時間と共にスイープさせると、ホーン振動子の駆動効率が低下するという問題がある。
さらに、ホーン振動子の共振周波数ｆｒには、±１．５ｋＨｚ程度の製造ばらつきがあることが知られている。図１０は、製造ばらつきにより共振周波数が異なる３つのサンプルＮｏ．１〜３について、矩形波からなる駆動電圧の周波数を変化させたときの単位時間当たりの噴霧量の変化を示している。駆動電圧の周波数が、サンプルＮｏ．１では共振周波数ｆｒ１＝１７８．８５ｋＨｚ、サンプルＮｏ．２では共振周波数ｆｒ２＝１７９．１５ｋＨｚ、サンプルＮｏ．３では共振周波数ｆｒ３＝１７９．４０ｋＨｚを、それぞれ高々０．０３ｋＨｚ程度上回ると、単位時間当たりの噴霧量が約半分に低下している。このように、共振周波数ｆｒの製造ばらつきに起因して、駆動電圧の周波数がホーン振動子の共振周波数を上回り、その結果、駆動効率が低下する可能性もある。
また、ホーン振動子の共振周波数ｆｒは、図１１に例示するように、環境温度によっても変化する。図１１では、共振周波数が異なる４種類のサンプルについて、環境温度の変化に伴う共振周波数の変化（温度依存性）を示している。ホーン振動子の温度が上昇すると、ホーン振動子の共振周波数ｆｒが低下する一方、ホーン振動子の温度が下降すると、ホーン振動子の共振周波数ｆｒが上昇する。
そこで、この発明の課題は、共振周波数の製造ばらつきおよび温度依存性を伴う超音波振動子を、駆動効率の低下を抑制しながら安定して駆動できる超音波振動子駆動装置を提供することにある。また、この発明の課題は、そのような超音波振動子駆動装置を備えたメッシュ式ネブライザを提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の超音波振動子駆動装置は、
圧電素子を含み固有の共振周波数をもつ超音波振動子に対して、駆動電圧として交番電圧を印加して駆動する超音波振動子駆動装置であって、
上記駆動電圧を、上記超音波振動子の共振周波数を含む周波数範囲で周波数可変に発生する駆動電圧発生部と、
上記駆動電圧の周波数を、上記超音波振動子の共振周波数に応じて設定された基準周波数を基に、上記共振周波数を含むように予め定められたスイープ幅で、かつ、予め定められたスイープ周期で繰り返してスイープさせるとともに、上記スイープ周期と上記スイープ幅とで区分される２次元マップ上で予め定められた許容領域内に入るように上記スイープ周期と上記スイープ幅とを関連づけて規制するスイープ制御部を備えたことを特徴とする。
ここで、「超音波振動子」は圧電素子を含む。したがって、典型的には、上記駆動電圧の周波数が上記超音波振動子の共振周波数よりも少し低いとき、上記超音波振動子は効率良く振動する一方、上記駆動電圧の周波数が上記超音波振動子の共振周波数よりも少し上回ると、上記超音波振動子は実質的に振動しなくなる。また、上記超音波振動子およびその周囲の温度が上昇すると、上記超音波振動子の共振周波数が低下する一方、上記超音波振動子およびその周囲の温度が下降すると、上記超音波振動子の共振周波数が上昇する。
また、「２次元マップ」は、例えば、上記スイープ周期と上記スイープ幅とが複数に区分された２次元のテーブル（表）として構成されてもよい。また、「２次元マップ」では、上記スイープ周期と上記スイープ幅の区分が非常に細かく、許容領域と非許容領域との間の境界が実質的に滑らかな２次元のグラフを構成していてもよい。
この発明の超音波振動子駆動装置では、駆動電圧発生部は、上記駆動電圧（交番電圧）を、上記超音波振動子の共振周波数を含む周波数範囲で周波数可変に発生する。スイープ制御部は、上記駆動電圧の周波数を、上記超音波振動子の共振周波数に応じて設定された基準周波数を基に、上記共振周波数を含むように予め定められたスイープ幅で、かつ、予め定められたスイープ周期で繰り返してスイープさせる。例えば、駆動開始時に、上記駆動電圧の周波数が上記超音波振動子の共振周波数よりも少し（例えば、０．２ｋＨ程度）低いとき、上記超音波振動子は効率良く振動する。これにより、上記超音波振動子およびその周囲の温度が上昇する。上記超音波振動子およびその周囲の温度が上昇すると、上記超音波振動子の共振周波数が低下する。これにより、駆動開始時の状態に比して、上記スイープ周期のうち、上記駆動電圧の周波数が上記超音波振動子の共振周波数を上回っている期間が長くなって、上記スイープ周期のうち、上記超音波振動子が実質的に振動しない期間が長くなる。これにより、上記超音波振動子およびその周囲の温度が下降する。上記超音波振動子およびその周囲の温度が下降すると、上記超音波振動子の共振周波数が高くなる。これにより、直前の状態に比して、上記スイープ周期のうち、上記駆動電圧の周波数が上記超音波振動子の共振周波数を下回っている期間が長くなって、上記スイープ周期のうち、上記超音波振動子が効率良く振動する期間が長くなる。これにより、上記超音波振動子およびその周囲の温度が再び上昇する。このようにして、上記超音波振動子およびその周囲の温度変化が、実質的にフィードバック制御されて、抑制される。この結果、上記超音波振動子の共振周波数の温度依存性にかかわらず、上記超音波振動子が安定して駆動される。また、上記スイープは、上記超音波振動子の共振周波数に応じて設定された基準周波数を基にして行われるので、上記超音波振動子の共振周波数の製造ばらつきにかかわらず、上記超音波振動子が安定して駆動される。
さらに、上記スイープ制御部は、上記スイープ周期と上記スイープ幅とで区分される２次元マップ上で予め定められた許容領域内に入るように上記スイープ周期と上記スイープ幅とを関連づけて規制する。これにより、駆動効率の低下が抑制される。
一実施形態の超音波振動子駆動装置では、上記超音波振動子の駆動開始前に、上記駆動電圧の周波数をスイープさせて上記超音波振動子の共振周波数を探索して求め、この求めた共振周波数に応じて上記基準周波数を設定する基準周波数設定部を備えたことを特徴とする。
ここで、求めた共振周波数「に応じて」基準周波数を設定するとは、典型的には、共振周波数に一致するように基準周波数を設定することを意味する。ただし、求めた共振周波数よりも少し（例えば、０．２ｋＨ程度）低く設定してもよい。
この一実施形態の超音波振動子駆動装置では、基準周波数設定部が、上記超音波振動子の駆動開始前に、上記駆動電圧の周波数をスイープさせて共振周波数を探索して求め、この求めた共振周波数に応じて上記基準周波数を設定する。したがって、上記超音波振動子の製造ばらつきおよび温度依存性によって個々の超音波振動子の共振周波数が異なっていたとしても、個々の超音波振動子の共振周波数に応じて上記基準周波数が適切に設定され得る。
一実施形態の超音波振動子駆動装置では、上記超音波振動子は、上記圧電素子とこの圧電素子の振動を伝えるホーンとが一体に組み合わされて構成されたホーン振動子であることを特徴とする。
一般に、ホーン振動子は、ホーン無しのタイプに比して、Ｑ値（共振の鋭さ）が非常に高い。この一実施形態の超音波振動子駆動装置では、上記超音波振動子は、上記圧電素子とこの圧電素子の振動を伝えるホーンとが一体に組み合わされて構成されたホーン振動子である。したがって、共振周波数の製造ばらつきおよび温度依存性にかかわらずホーン振動子を安定して駆動できる、という本発明による利益が大きい。
一実施形態の超音波振動子駆動装置では、
上記超音波振動子の振動は液体を霧化して噴霧するのに用いられ、
上記２次元マップ上の上記許容領域は、上記液体の噴霧量が上記超音波振動子を上記共振周波数で振動させたときの噴霧量の９０％以上となるように設定されていることを特徴とする。
この一実施形態の超音波振動子駆動装置では、上記超音波振動子の振動は液体を霧化して噴霧するのに用いられる。ここで、上記２次元マップ上の上記許容領域は、上記液体の噴霧量が上記超音波振動子を上記共振周波数で振動させたときの噴霧量の９０％以上となるように設定されている。これにより、上記超音波振動子の駆動効率の低下が確実に抑制される。
一実施形態の超音波振動子駆動装置では、上記スイープ制御部は、上記スイープ周期を一定に保ちながら、上記基準周波数を上回る側へのスイープ幅を、上記基準周波数を下回る側へのスイープ幅よりも小さく設定することを特徴とする。
この一実施形態の超音波振動子駆動装置では、上記スイープ周期を一定に保ちながら、上記スイープ制御部は、上記基準周波数を上回る側へのスイープ幅を、上記基準周波数を下回る側へのスイープ幅よりも小さく設定する。したがって、上記スイープ周期のうち、上記超音波振動子が実質的に振動しない期間が、上記超音波振動子は効率良く振動する期間よりも短くなる。これにより、上記超音波振動子の駆動効率の低下がさらに抑制される。
一実施形態の超音波振動子駆動装置では、上記スイープ制御部は、上記スイープ周期を一定に保ちながら、上記基準周波数を上回る側へのスイープ幅を０．１０ｋＨｚ、上記基準周波数を下回る側へのスイープ幅を０．２５ｋＨｚにそれぞれ設定することを特徴とする。
この一実施形態の超音波振動子駆動装置では、上記スイープ制御部は、上記スイープ周期を一定に保ちながら、上記基準周波数を上回る側へのスイープ幅を０．１０ｋＨｚ、上記基準周波数を下回る側へのスイープ幅を０．２５ｋＨｚにそれぞれ設定する。本発明者等の実験結果（後述）によれば、これにより、上記超音波振動子の駆動効率の低下が確実に抑制される。例えば、上記超音波振動子の振動が液体を霧化して噴霧するのに用いられる場合に、上記スイープ周期が例えば１０秒間というように長く設定されたとしても、上記液体の噴霧量が上記超音波振動子を上記共振周波数で振動させたときの噴霧量の９０％以上となる。
別の局面では、この発明のメッシュ式ネブライザは、
上記発明の超音波振動子駆動装置であって、上記超音波振動子が、上記圧電素子とこの圧電素子の振動を伝えるホーンとが一体に組み合わされて構成されたホーン振動子であるものと、
上記ホーン振動子の振動面に対向して配置された平板状またはシート状のメッシュ部とを備え、
上記振動面と上記メッシュ部との間に供給された液体を、上記メッシュ部を通して霧化して噴霧することを特徴とする。
本明細書で、「平板状またはシート状のメッシュ部」とは、平板またはシートを貫通する複数の貫通孔を有し、これらの貫通孔を通過させて液体を霧化するための要素を意味する。なお、シートはフィルムを含む。
この発明のメッシュ式ネブライザによれば、上記液体を効率良く霧化して噴霧できる。
以上より明らかなように、この発明の超音波振動子駆動装置によれば、共振周波数の製造ばらつきおよび温度依存性を伴う超音波振動子を、駆動効率の低下を抑制しながら安定して駆動できる。また、この発明のメッシュ式ネブライザによれば、液体を効率良く霧化して噴霧できる。
この発明の一実施形態の超音波振動子駆動装置のブロック構成を示す図である。 上記超音波振動子駆動装置を搭載したメッシュ式ネブライザの霧化部の構成を示す図である。 上記超音波振動子駆動装置を構成する制御部による制御のフローを示す図である。 上記超音波振動子駆動装置における基準周波数設定の処理を説明する図である。 図５（Ａ）は、駆動電圧の周波数ｆが時間経過に伴ってスイープされる態様を例示する時間対周波数（ｔ−ｆ）線図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に対応して、駆動電圧が時間経過に伴って変化する態様を模式的に示す時間対電圧（ｔ−Ｖ）線図である。図５（Ｃ）は、駆動電圧の周波数ｆが時間経過に伴ってスイープされる別の態様を例示する時間対周波数（ｔ−ｆ）線図である。 スイープ周期とスイープ幅とで区分される２次元マップとしてのテーブル上で、スイープ周期とスイープ幅についての許容領域Ａを示す図である。 ホーン振動子およびその周囲の温度変化をフィードバック制御する仕方を、模式的に示す図である。 駆動電圧の周波数の変化に伴う、ホーン振動子のインピーダンス（実線で示す）と位相（破線で示す）の変化を示す図である。 或るホーン振動子（共振周波数をｆｒとする。）について、駆動電圧の周波数の実用的な範囲を示す図である。 製造ばらつきにより共振周波数が異なる３つのホーン振動子サンプルについて、駆動電圧の周波数を変化させたときの単位時間当たりの噴霧量の変化を示す図である。 共振周波数が異なる４つのホーン振動子サンプルについて、環境温度の変化に伴う共振周波数の変化（温度依存性）を示す図である。
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図２は、この発明の一実施形態の超音波振動子駆動装置を搭載したメッシュ式ネブライザ（全体を符号１で表す。）の霧化部の構成を示している。このメッシュ式ネブライザ１は、上部に開口１８を有する本体１０と、この本体１０内に内蔵された超音波振動子としてのホーン振動子４０を備えている。本体１０の外面には、図示しない電源スイッチが設けられている。
ホーン振動子４０は、上方の開口１８に対向して水平に配された振動面４３と、この振動面４３から下方に離間した位置に配された圧電素子４１と、圧電素子４１と振動面４３との間に配され、圧電素子４１の振動を増幅するとともに振動面４３へ伝達するホーン４２とが、一体に組み合わされて構成されている。ホーン振動子４０（正確には、圧電素子４１）に対する駆動電圧は、後述する超音波振動子駆動装置６０によって供給されるようになっている。このホーン振動子４０は、図８、図９中に例示したような固有の共振周波数ｆｒを有している。
開口１８と振動面４３との間には、交換部材２０が着脱可能に装着されて配置されている。この交換部材２０は、振動面４３に対向する平坦なシートとしてのフィルム２１と、このフィルム２１の周縁を支持する略円環状の底板部２２とを含んでいる。フィルム２１は、底板部２２の上面に接着または溶着により取り付けられている。フィルム２１のうち略中央の領域がメッシュ部２１ａを構成している。メッシュ部２１ａには、フィルム２１を貫通する多数の微細な貫通孔（図示せず）が形成されている。底板部２２は、位置決めのために、この例では振動面４３の縁部４３ｅに１箇所で当接している。交換部材２０は、振動面４３に対して少し傾斜した状態で、ホーン振動子４０とともに、本体１０内の図示しない要素によって支持されている。なお、メッシュ部２１ａは、フィルム２１に代えて、平板に多数の微細な貫通孔を形成して構成されていてもよい。
このメッシュ式ネブライザ１の動作時には、ユーザが鉛直方向に対して本体１０を少しだけ傾ける。これにより、本体１０内の給液部１７から、矢印Ｆで示すようにホーン振動子４０の振動面４３上へ向けて液体（この例では、薬液）が供給される。つまり、振動面４３とメッシュ部２１ａとの間に薬液が供給される。そして、ユーザが電源スイッチをオンすると、ホーン振動子４０の圧電素子４１に駆動電圧が印加されて、ホーン４２を介して振動面４３が振動される。これにより、メッシュ部２１ａ（より正確には、フィルム２１を貫通する複数の貫通孔）を通して薬液が霧化され、開口１８を通して噴霧される。
図１は、メッシュ式ネブライザ１に搭載された超音波振動子駆動装置６０のブロック構成を示している。
この超音波振動子駆動装置６０は、ホーン振動子４０（正確には、圧電素子４１）に印加すべき駆動電圧（交番電圧）を発生する駆動電圧発生部６２と、ホーン振動子４０に流れる電流を検出する電流検出部６５と、上述の駆動電圧発生部６２を制御する制御部６１とを含んでいる。符号６９は接地（ＧＮＤ）を表している。
駆動電圧発生部６２は、周波数可変発振部６３と、増幅部６４とを含んでいる。周波数可変発振部６３は、例えば市販のファンクション・ジェネレータ用ＩＣ（集積回路）を含み、駆動電圧の元になる矩形波の交番電圧を、ホーン振動子４０の共振周波数ｆｒを含む周波数範囲で周波数可変に発生する。この例では、周波数可変発振部６３は、少なくとも１７５ｋＨｚ〜１８５ｋＨｚの範囲で０．０５ｋＨｚずつ周波数を可変できる機能を有するものとする。また、交番電圧のプラス電圧期間とマイナス電圧期間との比は、可変であるが、この例では１対１（デューティ５０％）であるものとする。増幅部６４は、周波数可変発振部６３が発生した交番電圧を増幅して、ホーン振動子４０を駆動するのに十分な振幅をもつ駆動電圧を出力する。
電流検出部６５は、例えば電流検出用の図示しない抵抗素子と、この抵抗素子に降下した電圧を増幅する図示しない演算増幅器（オペレーショナル・アンプリファイア）とを含み、ホーン振動子４０に流れる電流を検出する。この例では、電流検出部６５は、ホーン振動子４０の駆動開始前に後述の基準周波数ｆｏを設定するためにのみ用いられ、駆動中には用いられない。
制御部６１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）を含み、スイープ制御部として働いて駆動電圧発生部６２の動作を制御するほか、メッシュ式ネブライザ１の動作全体を制御する。
図８、図９を用いて説明したように、駆動電圧の周波数ｆがホーン振動子４０の共振周波数ｆｒよりも少し低いとき、ホーン振動子４０は効率良く振動する一方、駆動電圧の周波数ｆがホーン振動子４０の共振周波数ｆｒよりも少し上回ると、ホーン振動子４０は実質的に振動しなくなる。また、図１１を用いて説明したように、ホーン振動子４０およびその周囲の温度が上昇すると、ホーン振動子４０の共振周波数ｆｒが低下する一方、ホーン振動子４０およびその周囲の温度が下降すると、ホーン振動子４０の共振周波数ｆｒが上昇する。
そこで、このメッシュ式ネブライザ１では、制御部６１が、図３に示す処理を行って、共振周波数の製造ばらつきおよび温度依存性にかかわらずホーン振動子４０を安定して駆動する。
具体的には、メッシュ式ネブライザ１の電源スイッチがオンされると、霧化動作（ホーン振動子４０の駆動）開始前に、図３のステップＳ１１で、制御部６１が基準周波数設定部として働いて、次のような基準周波数設定の処理を行う。
すなわち、図４に示すように、制御部６１は、駆動電圧発生部６２（正確には、周波数可変発振部６３）が発生する駆動電圧の周波数ｆを、この例では１７５ｋＨｚ〜１８５ｋＨｚの範囲で０．２ｋＨｚずつ順次変化させる。ここで、周波数ｆ＝１７５ｋＨｚ〜１８５ｋＨｚの範囲は、共振周波数の製造ばらつきおよび温度依存性を考慮した上で、本体１０に搭載されているホーン振動子４０の共振周波数ｆｒが必ず含まれると期待される範囲である。それとともに、制御部６１は、電流検出部６５の出力を受けて、ホーン振動子４０に流れる電流値（実効値）Ｉｅを順次サンプリングして入力する。さらに、制御部６１は、駆動電圧の電圧値（実効値）Ｖｅをそれらの電流値Ｉｅでそれぞれ除算して、駆動電圧の周波数ｆ＝１７５ｋＨｚ〜１８５ｋＨｚの範囲で、ホーン振動子４０のインピーダンスＺの最小値Ｚｍｉｎを求める。そして、最小値Ｚｍｉｎを与えるときの周波数ｆを、ホーン振動子４０の共振周波数ｆｒであると認識する。このようにして、制御部６１は、共振周波数ｆｒを探索して求める。そして、求めた共振周波数ｆｒに応じて、この例では共振周波数ｆｒに一致するように基準周波数ｆｏを設定する。すなわち、ｆｏ＝ｆｒに設定する。
したがって、ホーン振動子４０の製造ばらつきおよび温度依存性によって個々のホーン振動子４０の共振周波数ｆｒが異なっていたとしても、個々のホーン振動子４０の共振周波数ｆｒに応じて基準周波数ｆｏを適切に設定できる。
なお、この例では、求めた共振周波数ｆｒに一致するように基準周波数ｆｏを設定しているが、これに限られるものではない。制御部６１は、求めた共振周波数ｆｒよりも少し低く、例えば０．２ｋＨｚ程度低く基準周波数ｆｏを設定してもよい。
次に、図３のステップＳ１２で、制御部６１がスイープ制御部として働いて、駆動電圧の周波数ｆを、次の（１）および（２）に記載のように制御する。
（１） 基本的に、制御部６１は、図５（Ａ）に示すように、駆動電圧の周波数ｆを、ホーン振動子４０の共振周波数ｆｒに応じて設定された基準周波数ｆｏを基に、共振周波数ｆｒを含むように予め定められたスイープ幅Δｆ１，Δｆ２で、かつ、予め定められたスイープ周期ΔＳで繰り返してスイープさせる。ここで、Δｆ１＝Δｆ２＞０に設定されている。この例では、１スイープ周期ΔＳにおいて、駆動電圧の周波数ｆは、時間ｔの経過に伴って、基準周波数ｆｏから、基準周波数ｆｏを上回る側へ（ｆｏ＋Δｆ１）まで直線的に上昇し、続いて、基準周波数ｆｏを経由して、基準周波数ｆｏを下回る側へ（ｆｏ−Δｆ２）まで直線的に下降し、さらに、基準周波数ｆｏまで直線的に上昇して戻る。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に対応して、駆動電圧Ｖが時間ｔの経過に伴って変化する態様を模式的に示している。
このように、制御部６１は、駆動電圧の周波数ｆを、ホーン振動子４０の共振周波数ｆｒに応じて設定された基準周波数ｆｏを基に、共振周波数ｆｒを含むように予め定められたスイープ幅Δｆ１，Δｆ２で、かつ、予め定められたスイープ周期ΔＳで繰り返してスイープさせる。例えば、駆動開始時に、駆動電圧の周波数ｆがホーン振動子４０の共振周波数ｆｒよりも少し（例えば、０．２ｋＨ程度）低いとき、ホーン振動子４０は効率良く振動する。これにより、図７中に矢印Ｐ１で示すように、ホーン振動子４０およびその周囲の温度Ｔが上昇する。ホーン振動子４０およびその周囲の温度Ｔが上昇すると、図７中に矢印Ｐ２で示すように、ホーン振動子４０の共振周波数ｆｒが低下する。これにより、駆動開始時の状態に比して、スイープ周期ΔＳのうち、駆動電圧の周波数ｆがホーン振動子４０の共振周波数ｆｒを上回っている期間が長くなって、スイープ周期ΔＳのうち、ホーン振動子４０が実質的に振動しない期間が長くなる。これにより、図７中に矢印Ｐ３で示すように、ホーン振動子４０およびその周囲の温度Ｔが下降する。ホーン振動子４０およびその周囲の温度Ｔが下降すると、図７中に矢印Ｐ４で示すように、ホーン振動子４０の共振周波数ｆｒが高くなる。これにより、直前の状態に比して、スイープ周期ΔＳのうち、駆動電圧の周波数ｆがホーン振動子４０の共振周波数ｆｒを下回っている期間が長くなって、スイープ周期ΔＳのうち、ホーン振動子４０が効率良く振動する期間が長くなる。これにより、再び図７中に矢印Ｐ１で示すように、ホーン振動子４０およびその周囲の温度Ｔが上昇する。このようにして、ホーン振動子４０およびその周囲の温度変化が、実質的にフィードバック制御されて、抑制される。この結果、ホーン振動子４０の共振周波数ｆｒの温度依存性にかかわらず、ホーン振動子４０が安定して駆動される。また、上記スイープは、ホーン振動子４０の共振周波数ｆｒに応じて設定された基準周波数ｆｏを基にして行われるので、ホーン振動子４０の共振周波数ｆｒの製造ばらつきにかかわらず、ホーン振動子４０が安定して駆動される。
なお、図５（Ｃ）に示すように、スイープ周期ΔＳを一定に保ちながら、基準周波数ｆｏを上回る側へのスイープ幅Δｆ１を、基準周波数ｆｏを下回る側へのスイープ幅Δｆ２よりも小さく設定してもよい。これにより、スイープ周期ΔＳのうち、ホーン振動子４０が実質的に振動しない期間が、ホーン振動子４０が効率良く振動する期間よりも短くなる。これにより、ホーン振動子４０の駆動効率の低下が抑制される。
（２） さらに、制御部６１は、駆動電圧の周波数ｆについて、上述のスイープ周期ΔＳとスイープ幅Δｆ１，Δｆ２とを関連づけて規制する。
詳しくは、図６は、スイープ周期とスイープ幅とで区分される２次元マップとしてのテーブル（表）上で、スイープ周期ΔＳとスイープ幅Δｆ１，Δｆ２についての許容領域（斜線を付して示す）Ａを示している。図６のテーブルの表頭（上段）は、スイープ周期ΔＳの区分を示している。この例では、スイープ周期ΔＳは、０．０５ｍｓｅｃ、０．１ｍｓｅｃ、１ｓｅｃ、１０ｓｅｃの４つに区分されている。図６のテーブルの表側（左欄）は、スイープ幅Δｆ１，Δｆ２の区分を示している。この例では、スイープ幅Δｆ１，Δｆ２は、Δｆ１＝Δｆ２＝０．７５ｋＨｚであることを示す「ｆｏ±０．７５ｋＨｚ」と、Δｆ１＝Δｆ２＝０．５ｋＨｚであることを示す「ｆｏ±０．５ｋＨｚ」と、Δｆ１＝Δｆ２＝０．２５ｋＨｚであることを示す「ｆｏ±０．２５ｋＨｚ」、Δｆ１＝Δｆ２＝０．１ｋＨｚであることを示す「ｆｏ±０．１ｋＨｚ」と、Δｆ１＝０．１ｋＨｚかつΔｆ２＝０．２５ｋＨｚであることを示す「ｆｏ−０．２５ｋＨｚ 〜 ｆｏ＋０．１ｋＨｚ」との５つに区分されている。図６のテーブルの表体における○印は、その印が付された区分で、薬液の噴霧量がホーン振動子４０を共振周波数ｆｒで振動させたときの噴霧量（この例では、約０．５ｍｌ／ｍ）の９０％以上となることを示している。一方、×印は、その印が付された区分で、薬液の噴霧量がホーン振動子４０を共振周波数ｆｒで振動させたときの噴霧量の９０％未満となることを示している。例えば、スイープ周期ΔＳ＝０．０５ｍｓｅｃの場合は、スイープ幅Δｆ１＝Δｆ２＝０．７４ｋＨｚであれば○印、Δｆ１＝Δｆ２＝０．７６ｋＨｚであれば×印となる。一方、スイープ幅Δｆ１＝Δｆ２＝０．５ｋＨｚの場合は、スイープ周期ΔＳ＝０．０９ｍｓｅｃであれば○印、スイープ周期ΔＳ＝１．１ｍｓｅｃであれば×印となる。これらの○印が付された許容領域Ａと、×印が付された非許容領域Ｂとの間の境界Ａｏは、本発明者らの実験によって、初めて確認された。なお、スイープ幅Δｆ１＝０．１ｋＨｚかつΔｆ２＝０．２５ｋＨｚであることを示す「ｆｏ−０．２５ｋＨｚ 〜 ｆｏ＋０．１ｋＨｚ」の区分では、スイープ周期ΔＳの上限が１０ｓｅｃ超であり、極めて長いため、スイープ周期ΔＳの上限を確認できなかった。
そこで、制御部６１は、駆動電圧の周波数ｆについて、スイープ周期ΔＳとスイープ幅Δｆ１，Δｆ２とが図６のテーブルの許容領域Ａ内に入るように設定する。例えば、スイープ周期ΔＳ＝１０ｓｅｃ、スイープ幅Δｆ１＝０．１ｋＨｚかつΔｆ２＝０．２５ｋＨｚに設定する。これにより、ホーン振動子４０の駆動効率の低下を確実に抑制できる。この例では、薬液の噴霧量を、ホーン振動子４０を共振周波数ｆｒで振動させたときの噴霧量の９０％以上となる。
制御部６１は、霧化動作中は、図３のステップＳ１１に戻ることなく、上記（１）および（２）の駆動電圧の周波数ｆの制御（図３のステップＳ１２）を継続する。したがって、共振周波数ｆｒを求めるために霧化動作が中断することが無く、ユーザを待たせることが無い。この後、図３のステップＳ１３で、ユーザが電源スイッチをオンしてから一定期間（例えば１０分間）が経過したとき、または、ユーザが電源スイッチをオフしたとき、制御部６１は処理を終了する。
このようにして、この超音波振動子駆動装置６０を備えたメッシュ式ネブライザ１では、共振周波数の製造ばらつきおよび温度依存性を伴うホーン振動子４０を、駆動効率の低下を抑制しながら安定して駆動できる。この結果、薬液を効率良く霧化して噴霧できる。
上の例では、図６に示したように、「２次元マップ」は、例えば、スイープ周期が４区分、スイープ幅が５区分の２次元のテーブル（表）として構成されたが、これに限られるものではない。スイープ周期の区分、スイープ幅の区分は、より粗くてもよい。逆に、スイープ周期ΔＳとスイープ幅Δｆ１，Δｆ２の区分が非常に細かく、したがって、許容領域Ａと非許容領域Ｂとの間の境界Ａｏが実質的に滑らかな２次元のグラフを構成していてもよい。このような「２次元マップ」は、制御部６１が有する図示しない記憶部（メモリ）に記憶されているのが望ましい。
また、上の例では、図５（Ａ）、図５（Ｃ）に示したように、駆動電圧の周波数ｆが時間ｔの経過に伴って直線的に上昇または下降されたが、これに限られるものではない。駆動電圧の周波数ｆは曲線的に、例えば時間経過に伴って正弦波を描くようにスイープされてもよい。
また、上の例では、超音波振動子はホーン振動子４０であるものとしたが、これに限られるものではない。この発明は、ホーンを有さず、圧電素子からなる超音波振動子にも適用され得る。
以上の実施形態は例示であり、この発明の範囲から離れることなく様々な変形が可能である。上述した複数の実施の形態は、それぞれ単独で成立し得るものであるが、実施の形態同士の組みあわせも可能である。また、異なる実施の形態の中の種々の特徴も、それぞれ単独で成立し得るものであるが、異なる実施の形態の中の特徴同士の組みあわせも可能である。
１ メッシュ式ネブライザ
１０ 本体
２０ 交換部材
２１ａ メッシュ部
４０ ホーン振動子
４１ 圧電素子
４２ ホーン
４３ 振動面
６０ 超音波振動子駆動装置
６１ 制御部
６２ 駆動電圧発生部
Ａ 許容領域

Claims (7)

  1. 圧電素子を含み固有の共振周波数をもつ超音波振動子に対して、駆動電圧として交番電圧を印加して駆動する超音波振動子駆動装置であって、
    上記駆動電圧を、上記超音波振動子の共振周波数を含む周波数範囲で周波数可変に発生する駆動電圧発生部と、
    上記駆動電圧の周波数を、上記超音波振動子の共振周波数に応じて設定された基準周波数を基に、上記共振周波数を含むように予め定められたスイープ幅で、かつ、予め定められたスイープ周期で繰り返してスイープさせるとともに、上記スイープ周期と上記スイープ幅とで区分される２次元マップ上で予め定められた許容領域内に入るように上記スイープ周期と上記スイープ幅とを関連づけて規制するスイープ制御部を備えたことを特徴とする超音波振動子駆動装置。
  2. 請求項１に記載の超音波振動子駆動装置において、
    上記超音波振動子の駆動開始前に、上記駆動電圧の周波数をスイープさせて上記超音波振動子の共振周波数を探索して求め、この求めた共振周波数に応じて上記基準周波数を設定する基準周波数設定部を備えたことを特徴とする超音波振動子駆動装置。
  3. 請求項１または２に記載の超音波振動子駆動装置において、
    上記超音波振動子は、上記圧電素子とこの圧電素子の振動を伝えるホーンとが一体に組み合わされて構成されたホーン振動子であることを特徴とする超音波振動子駆動装置。
  4. 請求項１から３までのいずれか一つに記載の超音波振動子駆動装置において、
    上記超音波振動子の振動は液体を霧化して噴霧するのに用いられ、
    上記２次元マップ上の上記許容領域は、上記液体の噴霧量が上記超音波振動子を上記共振周波数で振動させたときの噴霧量の９０％以上となるように設定されていることを特徴とする超音波振動子駆動装置。
  5. 請求項１から４までのいずれか一つに記載の超音波振動子駆動装置において、
    上記スイープ制御部は、上記スイープ周期を一定に保ちながら、上記基準周波数を上回る側へのスイープ幅を、上記基準周波数を下回る側へのスイープ幅よりも小さく設定することを特徴とする超音波振動子駆動装置。
  6. 請求項５に記載の超音波振動子駆動装置において、
    上記スイープ制御部は、上記スイープ周期を一定に保ちながら、上記基準周波数を上回る側へのスイープ幅を０．１０ｋＨｚ、上記基準周波数を下回る側へのスイープ幅を０．２５ｋＨｚにそれぞれ設定することを特徴とする超音波振動子駆動装置。
  7. 請求項３に記載の超音波振動子駆動装置と、
    上記ホーン振動子の振動面に対向して配置された平板状またはシート状のメッシュ部とを備え、
    上記振動面と上記メッシュ部との間に供給された液体を、上記メッシュ部を通して霧化して噴霧することを特徴とするメッシュ式ネブライザ。
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