JPH0411268B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧電式超音波アトマイザに関し、詳細
にはトランスジユーサの一端に増幅用減径プルー
ブの先端の霧化表面と、トランスジユーサの他端
から霧化表面まで延びる同軸の流体送出しチヤン
ネルとを有する型式の圧電式超音波アトマイザに
関する。

〔従来技術とその問題点〕

圧電式超音波アトマイザは、液状物質を非常に
微細なスプレーもしくはミストとして送出さなけ
ればならないような産業上の用途にますます用い
られてきている。そのようなアトマイザの設計お
よび構成は米国特許第4337896号〔バーガー
（Berger）等〕に述べられている。代表的な構造
は、圧電材料、例えば鉛−ジルコネート−チタネ
ートの２つのデイスク間に平板電極を挟んで駆動
要素を形成し、次いでこの駆動要素を円筒形の前
方増幅ホーンと円筒形の後方ダミー部分との間に
締付けるようになつている。増幅ホーンは先端に
霧化表面を有する減径プルーブを備えている。霧
化表面で得らえる振動振幅の増幅は前方ホーンの
円筒形部分の横断面積とプルーブの端部の横断面
積との比に略等しい。

米国特許第4337896号に示されている型式のア
トマイザでは、前方部分および後方部分の隣接し
た端部に周フランジを設け、これらのフランジを
円形状のボルトで相互に引きよせることにより駆
動要素上に必要な締付け圧を得ている。またこれ
らのフランジはエラストマー製ガスケツトリング
を圧縮するための環状支持領域を形成していて、
液状スプレーを圧電デイスクの外周に接触しない
ようにしている。このようなガスケツトの密封効
果性はアトマイザの作動寿命を伸ばす際の重要な
要因である。

しかしながら、締付けフランジの設計には欠点
がある。内部損失を少なくするには、前方ホーン
および後方ホーンを各々単一部片として作る必要
がある。フランジの直径に等しい外径を有する材
料から作り始めてその材料の３分の２ほどをけず
り取らなければならないのは不経済である。より
重要なこととして、超音波アトマイザにより形成
される液滴の大きさはユニツトの周波数に逆比例
して変る。ミクロン範囲の非常に小さな粒子を得
るには、非常に高い周波数、すなわち100kHz以
上を使用することが必要である。しかしながら、
トランスジユーサにおける著しい横波運動を避け
るには、前方部分および後方部分の横寸法を波長
の４分の１以下にしなければならない。

例として、チタニウムでは100kHzより高い周
波数での波長の４分の１は１センチメータ以下で
ある。高い増幅のためには、円筒形部分の直径と
プルーブ先端の直径との比をできるだけ大きくす
ることが望ましい。同時に、霧化表面は適度な流
れを処理するのに充分大きい必要があり、プルー
ブは操作、破壊に耐えるのに充分頑丈でなければ
ならない。これらの要因により、締付けフランジ
についての直径寸法の部分を使うのは望ましくな
い。

円筒形の霧化トランスジユーサを締付け、同時
に圧電素子を液体汚染から防護するための別の構
造が米国特許第3861852号（バーガー）に開示さ
れている。この構造では、円筒形トランスジユー
サはカツプに挿入されており、トランスジユーサ
はカツプに挿入されており、トランスジユーサの
要素は、カツプにねじ込まれたキヤツプにより後
方ダミー部分のフランジに及ぼされる力によつて
互いに締付けられ、トランスジユーサの前面はカ
ツプの基部に圧接している。締付け表面にあるＯ
−リングが、カツプの基部の開口部を通つている
プルーブの先端から送出される液体スプーレーに
対してカツプ内のトランスジユーサを密封してい
る。しかしながら、この構造では圧電式駆動要素
に適切な締付け圧を加えかつそれを維持するのは
困難であり、また端部の締付けは相当な減衰を生
じ、それによりトランスジユーサの効率を低下さ
せてしまう。

上述のアトマイザには、液体をトランスジユー
サの前方ホーンの軸方向のチヤンネルと交わる半
径方向通路を通して供給しているが、例えば米国
特許第４，352，459号（バーガー等）により液体
をフランジ締付けトランスジユーサの後方部分を
通して軸方向に供給することも知られている。し
かしながらこの設計では、供給管と圧電デイスク
の内周との間に環状の密封ガスケツトを設けてデ
イスクの可能な断面積は減少させ、それにより有
効な振動駆動力を減小させる必要がある。また、
米国特許第3368085号〔マクマスター（Mc
Master）等〕、第3396285号〔ミンチエンコ
（Minchenko）〕、第3689783号〔ウイソアムズ
（Williams）〕、および第3694675号〔ラブデイ
（Loveday）〕におけるように、ソリツド中央ボル
トによつて圧電式トランスジユーサの駆動要素を
締付けることも知られている。しかしながら、こ
れらの特許のトランスジユーサは流体供給アトマ
イザではない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、実際の増幅が最大であつて、
100kHz以上の高い周波数の操作に適している圧
電式アトマイザの設計を提供することである。

本発明の他の目的は圧電素子に有効な断面積を
減ずることなく効果的な内部密封をもたらす軸方
向供給型の圧電式アトマイザを提供することであ
る。

又、本発明の他の目的はトランスジユーサ要素
を軸方向に負荷することなく上記のアトマイザの
圧電素子と外側密封を行うことである。

〔発明の概要〕

上記および他の目的は下記のような超音波液体
霧化トランスジユーサ組立体で達成される。すな
わち、この超音波液体霧化トランスジユーサ組立
体は、１対の環状圧電デイスクおよびそれらのデ
イスク間に同軸に位置決めされた環状の電極を有
する駆動要素と、超音波周波数電気エネルギを上
記電極に供給する端子装置と、駆動要素の一方の
圧電デイスクに接触している前端部および後端部
を有する円筒形の後方ダミー部分と、円筒形部分
を有する前方部分とを備えており、この円筒形部
分は駆動要素の他方の圧電デイスクに接触してい
る後端部および前端部を有し、上記前方部分はさ
らに円筒形部分の前端部から延びる増幅部分を有
し、該増幅部分は霧化表面を形成する先端部を有
するプルーブより成つており、後方ダミー部分の
後端部から霧化表面までトランスジユーサの長さ
にわたつて軸方向通路を設け、前方部分および後
方ダミー部分のうち少なくとも一方の、駆動要素
に隣接した通路の一部が拡大されかつ雌ねじにな
つており、通路の上記雌ねじ部分に係合する雄ね
じを有する管状中央ボルトを備え、該ボルトは駆
動要素に所定の圧縮予備負荷を与える張力下で前
方部分と後方ダミー部分とを連結している。

霧化トランスジユーサ組立体の通路の拡大雌ね
じ部分は、好ましくは前方部分および後方部分の
両方の中へ延びており、中央ボルトは前方部分お
よび後方部分の両方の雌ねじ部分に係合するねじ
スタツドより成つており、このねじスタツドは前
端部に滑らかな密封表面を形成してある。さら
に、組立体は、通路を流れる液体を圧電デイスク
の内面に達しないようにするために、上記密封表
面と軸方向通路との間に配置された環状のシール
装置を有している。

圧電デイスクの外側表面との液体接触を防ぐに
は、トランスジユーサ組立体はさらに組立体を包
囲する閉鎖外被を備えればよく、該外被の前端壁
部には、前方部分の円筒形部分を摺動可能に受入
れる開口部および該開口部と前方部分の円筒形部
分の円周との間に配置された半径方向に圧縮され
る環状シール装置を設けてある。さらに上記外被
の後方壁部には、後方ダミー部分の後端部から延
びる軸方向供給管を摺動可能に受入れる開口部お
よびこの開口部と供給管との間に配置された半径
方向に圧縮される環状シール装置を設けてある。

本発明の上記および他の目的、特徴および利点
は添付の図面および特許請求の範囲と併せて好適
な実施例の下記の説明から容易に明らかになるで
あろう。

〔実施例〕

図面を参照すると、今のところ好適な実施例の
超音波霧化トランスジユーサ組立体１１はトラン
スジユーサ１２を有し、このトランスジユーサ１
２は駆動要素１３、後方ダミー部分１４および前
方霧化部分１５を有している。

駆動要素１３は、一対の環状圧電デイスク１
７，１８間に挟まれたワツシヤ形の金属電極１６
より組立てられている。この電極は導電率の高い
銅または他の任意の適当な金属で作られるのがよ
く、またこの電極はトランスジユーサの共振周波
数で電気エネルギ源に取り付け用の端子１９を備
えている。圧電デイスクはそのような用途に在来
用いられてきた任意の材料、例えばチタン酸バリ
ウムまたは鉛−ジルコネート−チタネートで作ら
れている。

後方ダミー部分１４はトランスジユーサの設計
操作周波数で波長の４分の１に等しい長さを有す
る金属製円筒体好ましくはチタン製である。後方
部分１４の前端部２０は後部圧電デイスク１８に
接触しており、後方部分の後端２１は波腹平面と
して振動自在である。前方霧化部分１５は円筒形
部分２２を有し、この円筒形部分は前部圧電デイ
スク１７に接触する後端部２３および波節平面に
位置する前端部２４を有しており、この円筒形部
分２２はトランスジユーサの操作周波数で波長の
２分の１の長さになるように設計されている。波
長の４分の１の増幅プルーブ２５が円筒形部分２
２の前端部から霧化表面２７を有する切頭円錐形
先端２６まで延びている。前方霧化部分は、好ま
しくは後方ダミー部分と同じ材料で作られるが、
所望なら、後方部分の操作周波数につり合うよう
に適切な波長寸法を用いる限り、異なる材料を用
いることもできる。

前方部分の後端部の幅狭い周フランジ２８の他
は、トランスジユーサの外径は前方部分および後
方部分の直径に等しい。これらの部分は、液体供
給管３０の端部に拡大ねじスタツドとして形成さ
れた中央管状ボルト２９により所定の圧縮応力で
駆動要素１３に締付けられている。管状ボルトは
軸方向通路３２の雌ねじ拡大部分３１に係合し、
通路３２は後方ダミー部分１４の後端部からトラ
ンスジユーサを通つてプルーブ２５の先端の霧化
表面２７に開口している。

送出し管３０が通路３２に流入する液体を前方
部分のねじ部分を通り越えて浸透し、圧電デイス
クの内面に接触しないようにするために、中央ボ
ルト２９の前端部に加工された滑らかなシール表
面３４と通路３２の内面との間には、Ｏ−リング
シール３３が設けられている。図示のように、こ
のＯ−リングはこれがシール表面３４に対して適
切に位置決めされるように通路の壁部に加工され
た周溝に嵌込まれている。この溝はボルトの端部
に同等に適切に形成してもよく、あるいはボルト
の端部と前方部分の通路の内面との間に任意の他
の在来のシール構造を使用してもよい。

供給管３０の外周と軸方向通路の内周との間を
密封するためにＯ−リング３５がさらに設けられ
ている。この第２のＯ−リングはアトマイザを取
り巻く環境から湿分が進入するのを防ぐ。

トランスジユーサのボデイには締付けフランジ
がなくて駆動要素の外側のまわりに圧縮リングガ
スケツト用の環状領域を形成していないため、圧
電デイスクの外周は閉鎖外被３６によつて保護さ
れている。この外被はねじキヤツプ３８を有する
円筒形カツプ３７の形態をしている。カツプ３７
は開口部４０を備えた端壁部３９を有しており、
この開口部４０はトランスジユーサの前方部分の
円筒形部分２２を受入れている。この開口部は円
筒形部分２２の外周と開口部４０の端ぐりボア４
２との間に配置された半径方向圧縮Ｏ−リング４
１により密封されている。ねじキヤツプ３８は開
口部４０と同様だがそれより小さい開口部４４を
設けた端壁部４３を有している。Ｏ−リング４１
が前方開口部をシールしているのと同じような端
ぐりボア４６のＯ−リング４５がこの開口部４４
をシールしている。図示のように、Ｏ−リング４
５は端ぐりボア４６と後方ダミー部分の端部２１
から延びる円筒形カラー４７との間で半径方向に
圧縮されている。

変更例として、カラーおよび端ぐりボアの寸法
を変えてＯ−リング４５が供給管３０の外周に対
して半径方向に密封しかつカラーの端部に当接す
ることができるようにしてもよい。しかしなが
ら、外被が軸方向の圧縮力をＯ−リング４１およ
び４５を介してトランスジユーサのボデイに及ぼ
さないということが重要である。これに関連し
て、前方部分の後部の幅狭いフランジ２８は電極
１６により形成される波節平面にできるかぎり近
くＯ−リング４１を配置するように機能するだけ
である。外被の後部Ｏ−リング４５は軸方向の浮
動する空間があるから、Ｏ−リングがこのフラン
ジに及ぼす軸方向力がないはずである。その結
果、トランスジユーサは外被内に実質的に半径方
向だけに支持されていて、軸方向力は外被とトラ
ンスジユーサとの間には及ぼされていない。

トランスジユーサを組立てる手順は下記の通り
である。すなわち、Ｏ−リング３３を前方部分２
２の周溝内に据えつけてから、中央ボルトを前方
部分に底部に届くまでねじ込む。次いで、圧電デ
イスクおよび中央の電極をボルト上に通す。所望
ならば、電気絶縁材のスリーブ（図示せず）をボ
ルトとデイスクおよび電極の内周との間に装入し
てもよい。これは駆動要素を心出しするのを助
け、並びに駆動要素の短絡を防ぐのを助ける。ま
た、圧電デイスク電気回路を完成するのを容易に
するために第２の端子をなす第２の環状電極（図
示せず）を後方の圧電デイスクと後部ダミー部分
との間に付設することが望ましい。

駆動要素をボルトに組み付けてから、Ｏ−リン
グ３５を供給管３０に嵌合し、次いで後方ダミー
部分を駆動要素にねじつける。後方ダミー部分の
後端部２１にあけられた２つの直径方向に間隔を
へだてたもどり止め穴４８にトルクレンチを適用
することにより適切な圧縮力が得られる。

トランスジユーサの組立てに引き続いて、外被
を下記のように装着することができる。すなわ
ち、まずＯ−リング４５をカラー４７に（あるい
は上記の変更例の構造では供給管３０に）据えつ
け、次いでねじキヤツプ３８を供給管３０の上を
すべらせて後方ダミー部分をおおう適切な位置に
する。次にキヤツプの端壁部に設けられた密封同
軸取付具５０に取り付けられた導線４９を中央電
極１６の端子１９にクリツプ止めするかあるいは
はんだ付けする。上述のように第２電極を設ける
場合には、第２の同軸取付具（図示せず）からの
第２の導線（図示せず）を同様に第２電極に取り
付ける必要がある。最後に、Ｏ−リング４１を前
方霧化部分の円筒形部分２２に設置し、カツプ３
７を円筒部分２２の上にすべらせてキヤツプ３８
に底に届くまでねじ込む。このキヤツプは、その
端壁部の戻り止め穴５１に嵌まるスパナレンチに
よつて締付けることができる。

トランスジユーサは「軸方向浮動」Ｏ−リング
４１，４５を介して外被に半径方向に連結されて
いるにすぎないから、トランスジユーサは、駆動
要素１３に作用する圧縮予荷重あるいはトランス
ジユーサの共振周波数のいずれに対しても悪影響
を及ぼすことなく任意の所望の方法で外被に締め
付けまたは留めにより取付けることができる。液
体は、標準の連結コネクタ５２（第１図参照）に
より送出し管３０に連結された可撓性ホース（図
示せず）を通してユニツトの後部に送出すことが
できる。変更例として、送出し管３０に連結され
た剛性の液体供給管によつて組立体を支持するこ
ともできる。

上述の設計を試験するために、霧化トランスジ
ユーサを組立てて試験を行つた。寸法は約56kHz
の操作周波数用に選定した。種々様々な作動液体
に対して耐食性をもたらすように、トランスジユ
ーサの前方部分および後方部分をチタンで作り、
中央ボルトを３１６ステンレス鋼で作つた。しか
しながら、この材料は、耐力強度が比較的低いた
め、特により高い周波数には限界に近い選択であ
る。なぜならば圧電デイスク上に必要な圧縮力を
得るにはボルトにその降伏点を越えてトルクをか
けなければならないことがあるからである。かく
して、耐食性が主な問題ではないような用途で
は、中央ボルトの材料としてより強い鋼を使用す
るのが好ましいであろう。

完成組立体を試験する際、外被のＯ−リングに
作用するいずれの軸方向の負荷をも避けるのが不
可欠であるとわかつた。そうしないと、ユニツト
の電気インピーダンスが経時的に広い範囲にわた
つて変動し、最高効率での操作を維持することが
不可能になつてしまう。けれどもＯ−リングの圧
縮力が半径方向のみで、安定した操作および再現
性のある結果が容易に得られた。ユニツトを水面
下に沈めて操作したときでも、外被は水漏れがな
かつた。

従つて、本発明の設計は、製造簡単でかつ湿分
あるいは危険な環境、例えば爆発しやすい雰囲気
から完全に遮蔽された超音波霧化トランスジユー
サを提供するのに適している。先行の設計の締付
けフランジを省くことにより、トランスジユーサ
の横寸法が、実質的に一次元の振動を達成するた
めの実際の限度を越えることなく増幅率を得るこ
とが可能である。

開示した実施例の或る変形例および変更例は当
業者には容易に明らかであろう。例えば、後方部
分または前方部分の材料が圧電デイスクに予め荷
重を与えるのに必要な引張応力を耐えるのに充分
強ければ、中央ボルトはこれらの後方部分または
前方部分の一部として一体に形成することができ
る。また規定制限内で多くの異なるシール構造を
提供することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による超音波霧化トランスジユ
ーサ組立体の部分切取斜視図、第２図は第１図の
トランスジユーサ組立体の横断面図である。 １１……霧化トランスジユーサ組立体、１２…
…トランスジユーサ、１３……駆動要素、１４…
…後方ダミー部分、１５……前方霧化部分、１６
……電極、１７，１８……圧電デイスク、１９…
…端子、２２……円筒形部分、２５……プルー
ブ、２６……先端、２７……霧化表面、２８……
フランジ、２９……管状ボルト、３０……液体供
給管、３２……通路、３３，３５，４１，４５…
…Ｏ−リング、３６……外被、３７……カツプ、
３８……ねじキヤツプ、４７……カラー、４９…
…導線、５２……連結コネクタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波液体霧化トランスジユーサ組立体であ
   つて、 １対の環状圧電デイスクおよびこれらのデイス
   ク間に同軸に位置決めされた環状の電極を有する
   駆動要素と、 超音波周波数電気エネルギを上記電極に供給す
   る端子装置と、 駆動要素の一方の電圧デイスクに接触している
   前端部、後端部および前端部から後端部まで一定
   の外径を有する円筒形の後方ダミー部分と、 円筒形部分を有する前方部分とを備え、この円
   筒形部分は駆動要素の他方の圧電デイスクに接触
   している後端部および前端部を有し、上記前方部
   分はさらに円筒形部分の前端部から延びる増幅部
   分を有し、該増幅部分は霧化表面を形成する先端
   部を有するプルーブより成つており、軸方向通路
   を後方ダミー部分の後端部から霧化表面までトラ
   ンスジユーサ組立体の長さにわたつて設け、駆動
   要素に隣接した通路の一部が前方霧化部分および
   後方ダミー部分の両方で拡大されていて雌ねじに
   なつており、 雌ねじ部分を有する管状中央ボルトを備え、こ
   の雌ねじ部分は駆動要素に所定の全圧縮予荷重の
   すべてを与える張力下で前方霧化部分と後方ダミ
   ー部分とを連結するのに充分なトルクで前方霧化
   部分および後方ダミー部分の両方で上記通路の雌
   ねじ部分に係合し、 雄ねじ部分は前方霧化部分に配置され且つ滑ら
   かな円筒形密封面を備えたボルトの前端部から、
   後方ダミー部分に配置され且つ後方ダミー部分の
   後端を越えて軸方向に延びたボルトの後方供給管
   部分まで延びており、 圧電デイスクを被霧化液と接触しないようにシ
   ールする装置を備え、前記シール装置は上記通路
   を流れる液体を圧電デイスクの内面に達しないよ
   うにするために上記シール面と前記前方部分の軸
   方向通路との間に配置された弾性環状シール部材
   よりなることを特徴とする超音波液体霧化トラン
   スジユーサ組立体。 ２ 上記環状シール部材はＯ−リングよりなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲１項に記載の霧化
   トランスジユーサ組立体。 ３ 上記圧電デイスクを密封する装置はトランス
   ジユーサ組立体を取巻く環境の湿分が圧電デイス
   クの内面に達しないようにするために上記液体供
   給管の滑らかな外面と軸方向通路との間にさらに
   配置された第２の環状シール部材よりなることを
   特徴とする特許請求の範囲１項に記載の霧化トラ
   ンスジユーサ組立体。 ４ 上記第２の環状シール部材はＯ−リングより
   なることを特徴とする特許請求の範囲３項に記載
   の霧化トランスジユーサ組立体。 ５ 霧化トランスジユーサ組立体において、１対
   の環状圧電デイスクおよびこれらの圧電デイスク
   間に同軸に位置決めされた環状電極を有する駆動
   要素と、 超音波周波数の電気エネルギを上記電極に供給
   する端子装置と、 駆動要素の一方の圧電デイスクに接触している
   前部フエース及び後部フエースを有する円筒形後
   方ダミー部分とを備え、該後方ダミー部分は前部
   フエースから後部フエースまで一定の外径を有
   し、さらに、前記後部フエースから延びた小径の
   滑らかな円筒形シール外面をもつ同心部分を有
   し、 円筒形部分を有する前方部分とを備え、この円
   筒形部分は駆動要素の他方の圧電デイスクに接触
   している後部フエースおよび前部フエースを有
   し、上記前方部分はさらに円筒形部分の前部フエ
   ースから延びる増幅部分を有し、該増幅部分は霧
   化表面を形成する先端部を有するプローブより成
   つており、軸方向通路を後方ダミー部分の後部フ
   エースから霧化表面までトランスジユーサ組立体
   の長さにわたつて設け、駆動要素に隣接した通路
   の一部が前方霧化部分および後方ダミー部分の両
   方で拡大されていて雌ねじになつており、 雄ねじ部分を有する管状中央ボルトを備え、こ
   の雄ねじ部分は駆動要素に所定の全圧縮予荷重の
   すべてを与える張力下で前方霧化部分と後方ダミ
   ー部分とを連結するのに充分なトルクで、前方霧
   化部分および後方ダミー部分の両方で上記通路の
   雌ねじ部分に係合し、雄ねじ部分は前方霧化部分
   に配置され且つ滑らかな、円筒形密封面を備えた
   ボルトの前端部から、後方ダミー部分に配置され
   且つ後方ダミー部分の後端を越えて軸方向に延び
   たボルトの後方供給管部分まで延びており、 圧電デイスクを被霧化液と接触しないようにシ
   ールする装置を備え、前記シール装置は上記通路
   を流れる液体を圧電デイスクの内面に達しないよ
   うにするために上記シール面と前記前方部分の軸
   方向通路との間に配置された弾性環状の第１のシ
   ール部材よりなり、 トランスジユーサ組立体を包囲する円形且つ円
   筒形の閉鎖外被を備え、該外被は、前方部分の円
   筒形部分をゆるく受入れる第１の円筒形の通路を
   備えた前方端壁と、ダミー部分の後部フエースか
   ら延びた同心部分をゆるく包囲する、第２の円筒
   通路を備えた後方壁と、上記第１の円筒形通路の
   内面と前方部分の円筒形部分の周囲との間に配置
   された弾性環状の第２のシール装置と、第２の円
   筒形通路の内面と同心部分の密封外面との間に配
   置された弾性環状の第３のシール装置と、を備
   え、前方部分の円筒形部分と第１の円筒形通路と
   の間の半径方向の間隔、後方ダミー部分の同心部
   分と第２の円筒形通路との間の半径方向の間隔
   は、それぞれ、第２、第３の環状シール装置の圧
   迫されていない時の半径方向厚さより小さく、第
   ２、第３の環状シール装置がそれぞれ上記通路と
   上記円筒形部分との間で半径方向に圧縮されるよ
   うにしてあり、そして前記第１、第２の環状シー
   ル装置はこれらに及ぶ軸方向圧力がなく、軸方向
   には圧迫されていないことを特徴とする霧化トラ
   ンスジユーサ組立体。 ６ 上記閉鎖外被は円筒形カツプと該カツプに螺
   合している円筒形キヤツプよりなることを特徴と
   する特許請求の範囲第５項に記載の霧化トランス
   ジユーサ組立体。