JP7487880B2 - 超音波霧化装置及び超音波霧化方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波により液体を霧化する超音波霧化装置及び超音波霧化方法に関するものである。

従来、超音波振動子から超音波を出力して液体を霧化する超音波霧化装置が知られている。超音波霧化装置は、一般的に、液体が貯留された容器の底部に超音波振動子を取り付けた構造を有している。そして、超音波振動子から液体の液面に向けて超音波を出力すると、液体が霧化される。

ところで、微量の液体を霧化するとともに、液体の霧化により得られる液滴を微細液滴にすることが求められる場合がある。そこで、従来では、液体の霧化によって微細液滴を生成する超音波霧化装置が種々提案されている。なお、液滴の粒径の大きさは超音波の周波数に依存しており、粒径を小さくするためには、周波数を高くすることが必要である。このため、超音波霧化装置には、通常、２．４ＭＨｚや１．６ＭＨｚといった比較的高い周波数の超音波を出力する超音波振動子が搭載される。

また、液体を効率良く霧化させるために、容器内における超音波振動子の上方位置に、超音波を伝達する液体を充填したホーンを形成し、ホーンの上端面（超音波振動面）に超音波を収束させ、超音波振動面上の液体を霧化する技術も提案されている（例えば、特許文献１参照）。なお、特許文献１に記載の従来技術は、容器が外側容器と内側容器とからなる二重構造をなしており、外側容器の底部に超音波振動子を取り付けるとともに、内側容器の底面にホーンを突設した構造となっている。

特開２０１２－１１３６０号公報（図１等）

ところが、上記したように、超音波霧化装置の超音波振動子から出力される超音波は周波数が比較的高いため、ホーンの超音波振動面上の液体には、超音波を起因とする直進流が発生する。この場合、液体を霧化する際に、大部分が大粒の液滴となって飛び散ってしまい、無駄になるという問題がある。具体的に言うと、例えば１ｃｃの液体に対して霧（微細液滴）となるのは数％であり、残りは大粒の液滴となって飛び散ってしまうため、霧化効率が極めて低い。よって、液体が高価なものであったり貴重なものであったりすると、大きな損失になるという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものである、その目的は、液体を無駄なく霧化することができる超音波霧化装置及び超音波霧化方法を提供することにある。

上記課題を解決するためには、請求項１に記載の発明は、超音波振動子と、前記超音波振動子により出力される超音波によって振動する超音波振動面とを備え、前記超音波振動面上に供給された液体を霧化する超音波霧化装置であって、前記液体を液柱の状態で前記超音波振動面上に保持可能な振動面上液体保持手段を備えるとともに、前記振動面上液体保持手段は、前記超音波振動面上に前記液体を供給する液体供給手段を兼ねることを特徴とする超音波霧化装置をその要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、超音波振動面上に供給された液体は、液柱の状態で振動面上液体保持手段に保持される。その結果、液柱から液体が飛び散りにくくなるため、液体を無駄なく霧化することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記振動面上液体保持手段は、前記超音波振動面の上側位置に配置され、前記液柱を表面張力の作用によって上方に誘導して保持する液柱誘導部材であることをその要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、超音波振動面の上側位置に液柱誘導部材が配置されているため、液柱は、表面張力の作用によって液柱誘導部材に付着し、液柱誘導部材の上方に誘導されて保持される。しかも、液柱が液柱誘導部材の上方に誘導されるのに伴って、液柱の側部の表面積が広くなるため、広い領域から液体を霧化することができる。以上のことから、液体を効率良く霧化することが可能となる。

ここで、液柱誘導部材の形状は特に限定される訳ではなく、例えば、棒状、管状、線状、板状等を挙げることができる。なお、液柱誘導部材は、少なくとも１本の棒状部材によって構成されていることが好ましい（請求項５）。この場合、液柱誘導部材が棒状部材のような形状であると、液柱が、表面張力の作用によって液柱誘導部材の上方に誘導されやすくなる。

請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記液柱誘導部材は、前記超音波振動面との間に一定の空間をもって近接配置されていることをその要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、液柱誘導部材が超音波振動面に近接配置されているため、液柱誘導部材と超音波振動面との間に一定の空間が生じている場合であっても、超音波振動面上に供給された液体と液柱誘導部材の表面との間に表面張力が作用しやすくなる。その結果、液体が、飛び散らずに塊状（即ち液柱）となって液柱誘導部材に付着するため、液体を確実に霧化することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項２または３において、前記液柱誘導部材は、前記超音波振動面における最大振動位置の近傍に配置されていることをその要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、超音波振動面のうち、供給された液体が最も振動しやすく超音波が最も強い最大振動位置の近傍に、液柱誘導部材が配置される。その結果、液柱の状態の液体が、表面張力の作用によって効率良く液柱誘導部材に付着するため、付着した液体を無駄なく霧化することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項２乃至５のいずれか１項において、前記液柱誘導部材は、少なくともその一端側が前記超音波振動面に対して垂直となるように配置されていることをその要旨とする。

請求項６に記載の発明によれば、液柱誘導部材の少なくとも一端側が超音波振動面に対して垂直に配置されているため、液柱誘導部材に付着した液柱から液柱誘導部材の側方への液体の垂れを防止することができる。また、液柱誘導部材の表面を伝って液体を超音波振動面上に供給する場合、液体は、液柱誘導部材の表面に沿ってスムーズに下方に誘導されるため、液体を超音波振動面上に迅速に供給することができる。
上記課題を解決するためには、請求項７に記載の発明は、超音波振動子と、前記超音波振動子により出力される超音波によって振動する超音波振動面とを備え、前記超音波振動面上に供給された液体を霧化する超音波霧化装置であって、前記液体を液柱の状態で前記超音波振動面上に保持可能な振動面上液体保持手段と、ホーンを有するとともに内部空間に超音波伝達液体が充填可能である容器と、前記ホーンの上端に設けられた開口部を塞ぐように配置され、振動膜が取り付けられることにより前記振動膜を支持する支持板とを備え、前記容器の下端部に前記超音波振動子が取り付けられるとともに、前記ホーンの上端部に前記超音波振動面が設けられ、前記振動膜の厚さは、前記支持板の厚さよりも小さいことを特徴とする超音波霧化装置をその要旨とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７において、前記超音波振動面上に前記液体を供給する液体供給手段をさらに備えたことをその要旨とする。

請求項８に記載の発明によれば、液体供給手段により、霧化に好適な量の液体を超音波振動面上に供給することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項８において、前記振動面上液体保持手段は、前記液体供給手段を兼ねることをその要旨とする。

請求項９に記載の発明によれば、液体供給手段を振動面上液体保持手段とは別々に設けなくても済む。

上記請求項１、７等に記載の発明では、ホーンを有するとともに内部空間に超音波伝達液体が充填可能である容器をさらに備え、前記容器の下端部に前記超音波振動子が取り付けられるとともに、前記ホーンの上端部に前記超音波振動面が設けられている。

従って、容器の下端部に取り付けられた超音波振動子の上方位置に、超音波伝達液体が充填されたホーンが配置されるため、超音波振動子から出力された超音波を、ホーンの上端部に設けられた超音波振動面に収束させることができる。その結果、超音波振動面上に供給された液体が強く振動するため、液柱の状態の液体を、振動面上液体保持手段に付着させて効率良く霧化することができる。

また上記請求項１、７等に記載の発明では、前記ホーンの上端に設けられた開口部を塞ぐように配置され、振動膜が取り付けられることにより前記振動膜を支持する支持板を備え、前記振動膜の厚さは、前記支持板の厚さよりも小さい。

従って、振動膜が、支持板に取り付けられることにより支持板に支持されるため、振動膜の膜厚を薄くすることができる。その結果、振動膜が振動しやすくなるため、振動膜を振動させることにより、液体をより効率良く霧化することができる。また、支持板に振動膜を取り付ければ、取り扱いが容易になり、振動膜をホーンの開口部に対して容易にかつ正確に配置することができる。よって、振動膜を確実に機能させることができる。

なお、振動膜の形成材料としては、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）などを挙げることができる。また、支持板の形成材料としては、例えば金属材料や樹脂材料などが使用可能である。かかる金属材料の好適例としては、ステンレス、コバルト、チタン等を挙げることができる。また、樹脂材料の好適例としては、ポリエチレンテレフタレートやポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。

請求項１０に記載の発明は、請求項７乃至９のいずれか１項において、前記振動面上液体保持手段は、前記超音波振動面の上側位置に配置され、前記液柱を表面張力の作用によって上方に誘導して保持する液柱誘導部材であり、前記支持板は、中央部に貫通孔を有する環状をなしており、前記振動膜が前記貫通孔を塞ぐように配置され、前記貫通孔の上方位置に前記液柱誘導部材が配置されていることをその要旨とする。

請求項１０に記載の発明によれば、振動膜において貫通孔を塞ぐ領域は、支持板に接触しないため、振動しやすくなっている。よって、振動膜を振動させることにより、液体をより効率良く霧化することができる。また、液柱誘導部材が、貫通孔の上方位置、即ち、振動膜が振動しやすいために液柱が発生しやすい領域の上方位置に配置されている。よって、液体から生成された液柱を、液柱誘導部材によって確実に上方に誘導することができる。

請求項１１に記載の発明は、請求項１または７に記載の装置を用い、超音波振動子から出力される超音波により、超音波振動面上に供給された液体を霧化する超音波霧化方法であって、前記超音波振動面の近傍に振動面上液体保持手段を配置した状態で前記超音波振動子から超音波を出力することにより、前記液体を液柱の状態で前記超音波振動面上に保持し、かつ前記液柱の側面から前記液体を霧化することを特徴とする超音波霧化方法をその要旨とする。

請求項１１に記載の発明によれば、超音波振動子から超音波を出力させることにより、超音波振動面上に供給された液体は、液柱の状態で振動面上液体保持手段に保持される。その結果、液柱から液体が飛び散りにくくなるため、液体を無駄なく霧化することができる。

請求項１２に記載の発明は、請求項１１において、前記振動面上液体保持手段は、前記超音波振動面の上側位置に配置され、前記液柱を表面張力の作用によって上方に誘導して保持する液柱誘導部材であり、前記液柱を、前記液柱誘導部材の表面に沿って上下動させることをその要旨とする。

請求項１２に記載の発明によれば、液柱が上下動することによって液柱が揺すられるため、液柱の側部からより確実に液体を霧化することができる。

請求項１３記載の発明は、請求項１１または１２において、前記振動面上液体保持手段は、前記超音波振動面の上側位置に配置され、前記液柱を表面張力の作用によって上方に誘導して保持する液柱誘導部材であり、前記液体を、前記液柱誘導部材を伝わせて前記超音波振動面上に供給することをその要旨とする。

請求項１３に記載の発明によれば、液柱誘導部材により、液体が、同液体の霧化に用いられる超音波振動面上に直接導かれるため、液体をより効率良く霧化することができる。

以上詳述したように、請求項１～１０に記載の発明によると、液体を無駄なく霧化することができる超音波霧化装置を提供することができる。また、請求項１１～１３に記載の発明によると、液体を無駄なく霧化することができる超音波霧化方法を提供することにある。

本実施形態における超音波霧化装置を示す側面図。 超音波霧化装置を示す平面図。 超音波霧化装置を示す概略断面図。 ホーンの上端部付近の構成を示す要部断面図。 水が霧化される様子を示す説明図。 水柱が誘導部の上方に誘導される状態を示す説明図。 水柱が誘導部の下方に誘導される状態を示す説明図。 （ａ）は、本実施形態における液柱誘導部材を示す図、（ｂ）～（ｈ）は、他の実施形態における液柱誘導部材を示す図。 他の実施形態において、棒状部材と振動膜との関係を示す側面図。 他の実施形態において、ホーンの上端部付近の構成を示す要部断面図。 他の実施形態における振動膜を示す断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１～図３に示されるように、本実施形態の超音波霧化装置１０は、例えば、加湿器に用いられる装置である。超音波霧化装置１０を構成する容器１１は、同容器１１の下部を構成する容器本体２１と、容器１１の上部を構成しかつ容器本体２１によって支持される板部材５１とからなり、容器本体２１及び板部材５１は互いに分割可能な構造となっている。

図３に示されるように、容器本体２１は、上端にて開口する有底円筒状をなし、ステンレス等の金属材料によって形成されている。容器本体２１の中央部には、同容器本体２１の上面２２にて開口する凹部２３が設けられている。凹部２３は、小径部２４と、小径部２４よりも上面２２側に位置する大径部２５とからなっている。小径部２４と大径部２５との接続部分には、段差面２６が形成されている。そして、小径部２４内には、略円板状をなす基板３１が配置されている。基板３１の中央部には、陽極側の電極であるバネ電極３２の基端部がはんだ付けなどにより接続されている。また、大径部２５内には、Ｏリング３３が段差面２６に接触した状態で配置されている。さらに、Ｏリング３３上には、陰極側の電極である円環状の電極板３４が載置されている。なお、電極板３４には、配線３４ａの第１端がはんだ付けにより接続されている。

また、図３に示されるように、容器１１の下端部には、超音波振動子３５が取り付けられている。具体的に言うと、超音波振動子３５は、円板状をなし、大径部２５内において電極板３４上に載置されている。超音波振動子３５は、２．４ＭＨｚの周波数の超音波Ｓ１（図５参照）を超音波放射面３６から放射（出力）するためのものである。また、超音波振動子３５の下面には陽極側電極層（図示略）が形成され、超音波振動子３５の上面には陰極側電極層（図示略）が形成されている。そして、大径部２５には、リングネジ３７が螺着されている。なお、リングネジ３７が、螺着に伴って超音波振動子３５を上側から押さえ付けるのに伴い、超音波振動子３５は、バネ電極３２に付勢され、陽極側電極層にバネ電極３２が押し当てられる。なお、超音波振動子３５の超音波放射面３６は、リングネジ３７の貫通孔３８から露出するようになっている。

また、容器本体２１には、同容器本体２１の外周面２１ａにて開口するとともに凹部２３の小径部２４に連通する連通孔２７が設けられている。連通孔２７には、継手３９を挿通したケーブル４０（本実施形態では１芯シールド線）の一端が挿入されている。ケーブル４０の芯線は、バネ電極３２の基端部に対してはんだ付けにより接続されている。また、ケーブル４０のシールドには、配線３４ａの第２端がはんだ付けにより接続されている。そして、ケーブル４０は、容器本体２１の外部に引き出され、図示しない電源に接続される。なお、継手３９は連通孔２７に螺着されている。さらに、容器本体２１には、容器本体２１の外周面２１ａにて開口するとともに凹部２３の大径部２５に連通する空気抜き穴２８が設けられている。空気抜き穴２８には、基端部にＯリング４１が装着されたネジ４２が螺着されている。また、容器本体２１には、上面２２にて開口するネジ穴２９が６箇所に設けられている。各ネジ穴２９は、凹部２３を取り囲むように設けられている。

図１～図３に示されるように、板部材５１は、略円板状をなし、ステンレス等の金属材料によって形成されている。板部材５１の上面５２（即ち、容器１１の上面１２）の中央部には、ホーン６１が突設されている。ホーン６１は、同ホーン６１の上端にて開口するとともに、板部材５１の下面５３にて開口する円筒状をなしている。また、ホーン６１は、上端に行くに従って徐々に外径（及び内径）が小さくなるテーパ状をなしている。

また、図３に示されるように、板部材５１には、上面５２及び下面５３にて開口する６個のネジ挿通孔５４が設けられている。各ネジ挿通孔５４は、ホーン６１を取り囲むように設けられている。なお、容器本体２１の上面２２上に板部材５１を載置した状態で、各ネジ挿通孔５４にそれぞれネジ５５を挿通し、挿通したネジ５５の先端部を容器本体２１に設けられたネジ穴２９に螺着させる。その結果、板部材５１が容器本体２１に取り付けられる。また、板部材５１には、下面５３にて開口する溝部５６が設けられている。溝部５６は、円環状をなし、ホーン６１を包囲するように配置されている。そして、溝部５６内には、板部材５１の下面５３と容器本体２１の上面２２との隙間を塞ぐＯリング５７が挿入されている。

図４に示されるように、ホーン６１の上端面６２は、水平な超音波振動面６３となっている。詳述すると、ホーン６１の上端に設けられた開口部６４は、支持板６５によって塞がれている。本実施形態の支持板６５は、ステンレス等の金属材料からなり、中央部に貫通孔６６を有する厚さ０．２ｍｍ程度の円環状をなしている。

また、支持板６５の上面６７ａ全体には振動膜６８が貼付されている。これにより、振動膜６８は、支持板６５の貫通孔６６を塞ぐように配置され、かつ支持板６５によって支持される。そして、振動膜６８の上面が、ホーン６１の超音波振動面６３（上端面６２）となる。なお、本実施形態の振動膜６８は、銅箔によって形成された平面視円形状の薄膜である。振動膜６８の厚さは、支持板６５の厚さ（０．２ｍｍ程度）よりも小さく、０．０５ｍｍ程度となっている。

そして、図３，図４に示されるように、容器本体２１の大径部２５の内壁面、リングネジ３７の上面３７ａ、リングネジ３７の貫通孔３８の内周面、超音波振動子３５の超音波放射面３６、板部材５１の下面５３、ホーン６１の内周面６１ａ、支持板６５の下面６７ｂ、支持板６５の貫通孔６６の内周面、及び振動膜６８の裏面等により、密閉された内部空間１３が容器１１内に構成される。内部空間１３には、超音波伝達液体１４（本実施形態では脱気水）が充填されている。超音波伝達液体１４は、超音波振動子３５から出力された超音波Ｓ１（図５参照）を振動膜６８に伝達する機能を有している。

図１，図２に示されるように、超音波霧化装置１０は、容器１１を支持する支持部材７１を備えている。支持部材７１は、側面視Ｌ字状をなしており、容器１１を支持する底板部７２と、底板部７２の一端（図１では右端）から上方に延びる壁板部７３とを有している。さらに、壁板部７３の上端部の側部（図２では下部）には接続板７４が接続されている。接続板７４は、平面視略く字状をなしており、壁板部７３に接続される基端部７５と、ホーン６１側に延びる先端部７６とを有している。

図１に示されるように、接続板７４の先端部７６には、４つの棒状部材取付孔７７が設けられている。各棒状部材取付孔７７のいずれか１つには、振動面上液体保持手段及び液柱誘導部材である棒状部材８１が取り付けられている。本実施形態の棒状部材８１は、鉄等の導電性を有する金属材料からなる線材を変形させることによって形成され、外径が約１ｍｍとなっている。なお、棒状部材８１の基端部分（図１では右側部分）にネジ７８を挿通し、挿通したネジ７８の先端部を棒状部材取付孔７７に螺着させることにより、棒状部材８１が接続板７４に取り付けられる。

図１，図４，図５に示されるように、棒状部材８１は、上述した超音波振動面６３の上側位置に配置されている。詳述すると、棒状部材８１の先端側（一端側）に位置する誘導部８２は、超音波振動面６３の直上位置に配置されている。そして、誘導部８２は、超音波振動面６３の直上位置において、超音波振動面６３に対して垂直となるように配置されている。また、誘導部８２は、超音波振動面６３における最大振動位置の近傍に配置されている。具体的に言うと、誘導部８２は、ホーン６１の中心軸Ｃ１上であって、支持板６５に設けられた貫通孔６６の中心軸上（上方位置）に配置されている。即ち、貫通孔６６の中心軸は、ホーン６１の中心軸Ｃ１と一致している。そして、誘導部８２の下端は、超音波振動面６３との間に一定の空間を持って近接配置されている。なお、超音波振動面６３から誘導部８２の下端までの距離は、１ｍｍ以上１０ｍｍ未満、本実施形態では２，３ｍｍ程度となっている。仮に、超音波振動面６３から誘導部８２の下端までの距離が１ｍｍ未満になると、振動膜６８の振動時に、振動膜６８が誘導部８２に接触してしまうおそれがある。一方、超音波振動面６３から誘導部８２の下端までの距離が１０ｍｍ以上になると、水Ｗ１から生成される水柱Ｗ３が誘導部８２に付着しない可能性がある。

なお、図５に示されるように、誘導部８２は、超音波振動面６３上に供給された水Ｗ１（液体）を、水柱Ｗ３（液柱）の状態で、誘導部８２（棒状部材８１）の表面８３と水Ｗ１との間に作用する表面張力の作用によって上方に誘導して保持するようになっている。さらに、誘導部８２は、水柱Ｗ３を表面張力の作用によって付着させることにより、水柱Ｗ３の飛散を防止するようになっている。また、誘導部８２は、水柱Ｗ３を表面張力の作用によって引き寄せることにより、水柱Ｗ３の位置及び形状を安定化させるようになっている。

次に、超音波霧化装置１０の超音波振動子３５から出力される超音波Ｓ１を用いて水Ｗ１を霧化する方法を説明する。

まず、超音波振動子３５を駆動し、超音波振動子３５の超音波放射面３６から２．４ＭＨｚの周波数の超音波Ｓ１を出力させる。出力された超音波Ｓ１は、ホーン６１の内部空間１３に充填された超音波伝達液体１４中を伝播して上方に伝達される。このとき、超音波放射面３６の外周部分から出力された超音波Ｓ１は、ホーン６１の内周面６１ａで反射して、中心軸Ｃ１側に導かれる。そして、超音波Ｓ１は、ホーン６１の上端面６２の近傍において中心軸Ｃ１付近に収束し、支持板６５の貫通孔６６を通過して振動膜６８に到達する。その結果、振動膜６８が振動する。

次に、作業者は、スポイト等から微量（本実施形態では１ｃｃ程度）の水Ｗ１を滴下し、水Ｗ１を棒状部材８１の誘導部８２の上部に付着させる。付着した水Ｗ１は、誘導部８２の表面８３と水Ｗ１との間に生じる表面張力の作用と、重力の作用とにより、誘導部８２の表面８３を伝って下方に流れ、誘導部８２の下端からホーン６１の超音波振動面６３上に落下する。その結果、水Ｗ１が超音波振動面６３上に供給される。即ち、棒状部材８１は、超音波振動面６３上に水Ｗ１を供給する液体供給手段としての機能を兼ねている。

そして、水Ｗ１が超音波振動面６３上に供給されると、振動膜６８に到達した超音波Ｓ１は、水Ｗ１の水面Ｗ２に向かって伝播する。このとき、水Ｗ１には超音波Ｓ１の直進流の力が作用するため、水Ｗ１が飛び散ってしまう可能性がある。しかし、本実施形態では、水Ｗ１と誘導部８２の表面８３との間に表面張力が作用するため、水Ｗ１は、飛び散らずに塊状（即ち水柱Ｗ３）となり、誘導部８２に付着する。

そして、図６に示されるように、誘導部８２に付着した水柱Ｗ３は、同水柱Ｗ３と誘導部８２の表面８３との間に生じる表面張力の作用により、誘導部８２の上方（図６の矢印Ｆ１方向）に誘導される。さらに、水柱Ｗ３は、誘導部８２の上方に誘導された状態に保持される（図５参照）。また、水柱Ｗ３の側面Ｗ４から水Ｗ１が霧化され、平均粒径が数μｍもしくはそれ以下の微細な水滴Ｗ５が大量に得られる。

その後、水柱Ｗ３の上端が誘導部８２の上部に到達すると、図示しない制御手段は、超音波振動子３５の出力を低下させる制御を行う。これにより、超音波Ｓ１の出力が小さくなるため、水柱Ｗ３は、重力の作用により、誘導部８２の表面８３に沿って下方（図７の矢印Ｆ２）に誘導される。さらに、水柱Ｗ３の上端が誘導部８２の下部まで下降すると、制御手段は、超音波振動子３５の出力を上昇させる制御を行う。これにより、水柱Ｗ３は、同水柱Ｗ３と誘導部８２の表面８３との間に生じる表面張力の作用により、再び誘導部８２の表面８３に沿って上方に誘導される。なお、制御手段は、超音波振動子３５の出力を上昇させる制御と低下させる制御とを交互に行い、水柱Ｗ３を、誘導部８２の表面８３に沿って上下動させる。その結果、水柱Ｗ３が上下に揺すられるため、水柱Ｗ３の側面Ｗ４から水Ｗ１が確実に霧化される。

その後、十分な量の水Ｗ１が霧化された段階で、超音波振動子３５からの超音波Ｓ１の出力を停止させる。霧化した水Ｗ１は、例えば部屋の加湿に用いられる。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態の超音波霧化装置１０では、ホーン６１の超音波振動面６３の上側位置に棒状部材８１の誘導部８２が配置されているため、超音波振動面６３上に供給された水Ｗ１から生成される水柱Ｗ３は、表面張力の作用によって誘導部８２に付着し、誘導部８２の上方に誘導されて保持される。その結果、水柱Ｗ３から水Ｗ１が飛び散りにくくなるため、水Ｗ１を無駄なく霧化することができる。しかも、水柱Ｗ３が誘導部８２の上方に誘導されるのに伴って、水柱Ｗ３の側部（側面Ｗ４）の表面積が広くなるため、広い領域から水Ｗ１を霧化することができる。以上のことから、水Ｗ１を効率良く霧化することが可能となる。

（２）本実施形態の振動膜６８は、膜厚を薄くして振動しやすくしているため、強度が低い。そこで、本実施形態では、振動膜６８の上方位置にある棒状部材８１の誘導部８２の下端を、振動膜６８の超音波振動面６３から離間させている。このため、誘導部８２の接触に起因する振動膜６８の破損を防止することができる。

（３）本実施形態では、水Ｗ１が供給される超音波振動面６３が、鉛直方向に延びる誘導部８２に直交する水平面となっているため、水Ｗ１は、超音波振動面６３上に確実に留まるようになる。よって、超音波振動面６３上に供給された水Ｗ１から水柱Ｗ３を確実に生成することができ、水柱Ｗ３を表面張力の作用によって誘導部８２に付着させることができるため、水柱Ｗ３の側面Ｗ４から水Ｗ１を効率良く霧化することができる。

なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態の液柱誘導部材（棒状部材８１）は、鉄等の金属材料によって形成されていた。しかし、液柱誘導部材は、ステンレス等の他の金属材料によって形成されていてもよいし、樹脂材料やセラミック材料などによって形成されていてもよい。なお、液状誘導部材は、ポリテトラフルオロエチレン等の表面８３の濡れ性が良い材料からなることがより好ましい。

・上記実施形態の液柱誘導部材は、断面円形状をなす棒状部材８１であったが（図８（ａ）参照）、これに限定される訳ではない。例えば、断面多角形状（断面三角形状、断面矩形状等）や断面楕円形状などの他の形状をなす棒状部材を液柱誘導部材として用いてもよい。また、図８（ｂ）に示されるように、軸線方向に沿って延びる凸部９２が周方向に沿って複数配置された断面異形状の棒状部材９３を、液柱誘導部材として用いてもよい。この場合、水柱Ｗ３と棒状部材９３との接触面積が大きくなるため、水柱Ｗ３を確実に棒状部材９３に付着させることができる。さらに、下端に行くに従って外径が徐々に小さくなる形状をなす棒状部材９４（図８（ｃ）参照）を、液柱誘導部材として用いてもよいし、下端に行くに従って外径が徐々に大きくなる形状をなす棒状部材を、液柱誘導部材として用いてもよい。

また、図８（ｄ）に示す管状部材９５を液柱誘導部材として用いてもよい。この場合、水Ｗ１を、管状部材９５が有する貫通孔９７の内周面を伝って超音波振動面６３上に供給すると同時に、水柱Ｗ３を、管状部材９５の表面９６を伝って同管状部材９５の上方に誘導することができる。さらに、図８（ｅ）に示す板材９８を液柱誘導部材として用いてもよい。なお、板材９８の正面視での形状は、矩形状であるが、多角形状（三角形状、五角形状等）や円形状などの他の形状をなしていてもよい。また、板材９８は鉛直方向に延びているが、湾曲形状をなす板材９９（図８（ｆ）参照）を液柱誘導部材として用いてもよい。さらに、螺旋状（コイル状）をなす線材１０１（図８（ｇ）参照）を液柱誘導部材として用いてもよいし、複数本の線材１０２を撚り合わせることによって形成した撚り線１０３（図８（ｈ）参照）を液柱誘導部材として用いてもよい。

・上記実施形態の棒状部材８１は、超音波振動面６３の上側位置にある誘導部８２のみが超音波振動面６３に対して垂直となるように配置されていたが、棒状部材８１全体が超音波振動面６３に対して垂直となるように配置されていてもよい。さらに、誘導部８２（または棒状部材８１全体）は、超音波振動面６３に垂直な方向に対して傾斜して（例えば３０°以内）配置されていてもよい。

・上記実施形態では、棒状部材８１（誘導部８２）の下端が、振動膜６８の超音波振動面６３から離間していた。しかし、図９に示されるように、棒状部材１１１（液柱誘導部材）の下端は、振動膜１１２の超音波振動面１１３に当接していてもよい。換言すると、振動膜１１２の超音波振動面１１３に、鉛直方向に延びる針状の棒状部材１１１を突設してもよい。この場合、棒状部材１１１全体が、超音波振動面１１３の上側位置において、超音波振動面１１３に対して垂直となるように配置される。しかしながら、棒状部材１１１は、薄いために強度が低い振動膜１１２上に配置されているため、振動膜１１２が棒状部材１１１の重みで破れてしまうおそれがある。また、棒状部材１１１の重みで振動膜１１２が上手く振動しない可能性もある。よって、棒状部材は、振動膜１１２の超音波振動面１１３から離間していることが好ましい。

・上記実施形態では、液柱誘導部材が１本の棒状部材８１によって構成されていたが、２本以上の棒状部材によって構成されていてもよい。なお、棒状部材が２本以上ある場合、各棒状部材は、１つにまとめられていてもよいし、互いに離間した状態に配置されていてもよい。

・上記実施形態の超音波霧化装置１０では、支持板６５の上面６７ａに振動膜６８が貼付されていたが、支持板６５の下面６７ｂに振動膜６８が貼付されていてもよい。また、図１０に示されるように、支持板６５を省略し、振動膜６８を、ホーン６１の開口端面６４ａに直接貼付してもよい。さらに、図１１に示されるように、振動膜１２１の中央部（即ち、振動膜１２１において超音波Ｓ１の振幅が大きくなる領域）に、超音波振動面１２２にて開口する凹部１２３を設けてもよい。このようにすれば、超音波振動面１２２上に供給された水Ｗ１を凹部１２３内に溜めておくことができるため、超音波振動面１２２上からの水Ｗ１の落下に起因する水Ｗ１の無駄を低減することができる。また、振動膜において超音波Ｓ１の振幅が大きくなる領域に、超音波振動面から突出する凸部を設けてもよい。さらに、超音波振動面に対して表面処理（粗化処理、親水処理、撥水処理など）を施してもよい。

・上記実施形態では、超音波振動子３５の出力を上昇及び低下させることにより、水柱Ｗ３を誘導部８２の表面８３に沿って上下動させていたが、他の方法によって水柱Ｗ３を上下動させてもよい。例えば、霧状になる水滴Ｗ５の量を増減させることにより、水柱Ｗ３を上下動させてもよい。具体的には、超音波振動子３５から出力される超音波Ｓ１の周波数を高くすると、水滴Ｗ５の粒径が小さくなる。この場合、水滴Ｗ５は軽くなることで霧状になりやすいため、霧状になる水滴Ｗ５の量も増大する。これに伴い、水柱Ｗ３が軽くなるため、水柱Ｗ３は、同水柱Ｗ３と誘導部８２の表面８３との間に生じる表面張力の作用により、誘導部８２の表面８３に沿って上方に誘導される。逆に、超音波振動子３５から出力される超音波Ｓ１の周波数を低くすると、水滴Ｗ５の粒径が大きくなる。この場合、水滴Ｗ５は重くなることで霧状になりにくいため、霧状になる水滴Ｗ５の量も減少する。これに伴い、水柱Ｗ３が重くなるため、水柱Ｗ３は、重力の作用により、誘導部８２の表面８３に沿って下方に誘導される。

・上記実施形態では、超音波振動子３５から出力された超音波Ｓ１を超音波振動面６３に伝達する振動伝達部が、超音波伝達液体１４が充填された円筒状のホーン６１の開口部６４を振動膜６８で塞いでなるダイアフラム構造をなしていた。しかし、振動伝達部は、他の構造をなしていてもよい。例えば、円錐台状の金属柱によって振動伝達部を構成してもよい。

・上記実施形態では、ホーン６１に充填される超音波伝達液体１４が脱気水であった。しかし、超音波伝達液体１４は、脱気されていない通常の水であってもよいし、油等の他の液体であってもよい。また、ホーン６１に超音波伝達液体１４を充填する代わりに、例えば樹脂等の絶縁体からなる超音波伝達固体をホーン６１に充填してもよい。

・上記実施形態の容器１１は、内部空間１３が密閉された密閉容器であった。しかし、容器１１内の超音波伝達液体１４を循環させる液体循環機構等を設けることにより、容器１１を、密閉されていない容器に変更してもよい。なお、この場合、液体循環機構の一部に、循環する超音波伝達液体１４を冷却する液体冷却機構を設けてもよい。また、液体循環機構は、循環する超音波伝達液体１４の温度を検知して制御する液体温度制御手段を備えていてもよい。さらに、液体循環機構は、循環する超音波伝達液体１４の脱気を行う脱気手段を備えていてもよい。なお、液体循環機構が脱気手段を備える場合には、脱気されていない通常の水を超音波伝達液体１４として用いることができる。

・上記実施形態の超音波霧化装置１０は、水Ｗ１を霧化する加湿器であったが、これに限定されるものではない。例えば、超音波霧化装置１０を超音波式ネブライザーとして用いてもよい。また、超音波霧化装置１０をインテリアとして用いてもよい。この場合、水柱Ｗ３が棒状部材８１の誘導部８２の表面８３に沿って上下動する様子を楽しむことができる。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）請求項１において、前記振動面上液体保持手段は、前記超音波振動面の上側位置に配置され、前記液体から生成される液柱を表面張力の作用によって付着させることにより前記液柱の飛散を防止する飛散防止部材であることを特徴とする超音波霧化装置。

（２）請求項１において、前記振動面上液体保持手段は、前記超音波振動面の上側位置に配置され、前記液体から生成される液柱を表面張力の作用によって引き寄せることにより前記液柱の位置及び形状を安定化させる液柱安定化部材であることを特徴とする超音波霧化装置。

１０…超音波霧化装置
１１…容器
１３…内部空間
１４…超音波伝達液体
３５…超音波振動子
６１…ホーン
６３，１１３，１２２…超音波振動面
６４…開口部
６５…支持板
６６…貫通孔
６８，１１２，１２１…振動膜
８１，９３，９４，１１１…振動面上液体保持手段、液柱誘導部材及び液体供給手段としての棒状部材
８３，９６…液柱誘導部材の表面
９５…振動面上液体保持手段、液柱誘導部材及び液体供給手段としての管状部材
９８，９９…振動面上液体保持手段、液柱誘導部材及び液体供給手段としての板材
１０１…振動面上液体保持手段、液柱誘導部材及び液体供給手段としての線材
１０３…振動面上液体保持手段、液柱誘導部材及び液体供給手段としての撚り線
Ｓ１…超音波
Ｗ１…液体としての水
Ｗ３…液柱としての水柱
Ｗ４…液柱の側面

Claims (13)

1. 超音波振動子と、前記超音波振動子により出力される超音波によって振動する超音波振動面とを備え、前記超音波振動面上に供給された液体を霧化する超音波霧化装置であって、
   前記液体を液柱の状態で前記超音波振動面上に保持可能な振動面上液体保持手段を備えるとともに、前記振動面上液体保持手段は、前記超音波振動面上に前記液体を供給する液体供給手段を兼ねる
   ことを特徴とする超音波霧化装置。
2. 前記振動面上液体保持手段は、前記超音波振動面の上側位置に配置され、前記液柱を表面張力の作用によって上方に誘導して保持する液柱誘導部材であることを特徴とする請求項１に記載の超音波霧化装置。
3. 前記液柱誘導部材は、前記超音波振動面との間に一定の空間をもって近接配置されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波霧化装置。
4. 前記液柱誘導部材は、前記超音波振動面における最大振動位置の近傍に配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の超音波霧化装置。
5. 前記液柱誘導部材は、少なくとも１本の棒状部材によって構成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の超音波霧化装置。
6. 前記液柱誘導部材は、少なくともその一端側が前記超音波振動面に対して垂直となるように配置されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の超音波霧化装置。
7. 超音波振動子と、前記超音波振動子により出力される超音波によって振動する超音波振動面とを備え、前記超音波振動面上に供給された液体を霧化する超音波霧化装置であって、
   前記液体を液柱の状態で前記超音波振動面上に保持可能な振動面上液体保持手段と、
   ホーンを有するとともに内部空間に超音波伝達液体が充填可能である容器と、
   前記ホーンの上端に設けられた開口部を塞ぐように配置され、振動膜が取り付けられることにより前記振動膜を支持する支持板と
   を備え、
   前記容器の下端部に前記超音波振動子が取り付けられるとともに、前記ホーンの上端部に前記超音波振動面が設けられ、
   前記振動膜の厚さは、前記支持板の厚さよりも小さい
   ことを特徴とする超音波霧化装置。
8. 前記超音波振動面上に前記液体を供給する液体供給手段をさらに備えたことを特徴とする請求項７に記載の超音波霧化装置。
9. 前記振動面上液体保持手段は、前記液体供給手段を兼ねることを特徴とする請求項８に記載の超音波霧化装置。
10. 前記振動面上液体保持手段は、前記超音波振動面の上側位置に配置され、前記液柱を表面張力の作用によって上方に誘導して保持する液柱誘導部材であり、
    前記支持板は、中央部に貫通孔を有する環状をなしており、
    前記振動膜が前記貫通孔を塞ぐように配置され、前記貫通孔の上方位置に前記液柱誘導部材が配置されている
    ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の超音波霧化装置。
11. 請求項１または７に記載の装置を用い、超音波振動子から出力される超音波により、超音波振動面上に供給された液体を霧化する超音波霧化方法であって、
    前記超音波振動面の近傍に振動面上液体保持手段を配置した状態で前記超音波振動子から超音波を出力することにより、前記液体を液柱の状態で前記超音波振動面上に保持し、かつ前記液柱の側面から前記液体を霧化することを特徴とする超音波霧化方法。
12. 前記振動面上液体保持手段は、前記超音波振動面の上側位置に配置され、前記液柱を表面張力の作用によって上方に誘導して保持する液柱誘導部材であり、
    前記液柱を、前記液柱誘導部材の表面に沿って上下動させる
    ことを特徴とする請求項１１に記載の超音波霧化方法。
13. 前記振動面上液体保持手段は、前記超音波振動面の上側位置に配置され、前記液柱を表面張力の作用によって上方に誘導して保持する液柱誘導部材であり、
    前記液体を、前記液柱誘導部材を伝わせて前記超音波振動面上に供給する
    ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の超音波霧化方法。

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