JP2011045817A - 静電霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子を用いながらも、効率良く帯電微粒子ミストを生成することができる静電霧化装置を提供する。
【解決手段】一次側電極１２ａ，１２ｂへの電圧印加に基づく電気−機械−電気変換により二次側電極１１にて高電圧を発生させる圧電振動子１０と、この圧電振動子１０にて発生した高電圧印加に基づいて放電を行う放電電極３と、放電電極３に液体供給を行うタンク１とを備え、放電電極３と圧電振動子１０の二次側電極１１とは、圧電振動子１０の機械振動の放電電極３側への伝達を抑制するために、弾性を有する接触部材１４を介して電気的に接続される静電霧化装置とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ナノメータサイズの帯電微粒子ミストを生成するための静電霧化装置に関するものである。

従来から、例えば特許文献１のように、圧電振動子（圧電トランス）の厚さ方向の両面に設けられた一次側電極（入力電極）への電圧印加に基づく電気−機械−電気変換により、長さ方向の端面に設けられた二次側電極（出力電極）にて高電圧を発生させ、その高電圧に基づいて放電を行うことで、オゾンやイオンを発生させる装置が知られている。

このような装置において、放電部分に液体を供給することでその液体を霧化してナノメータサイズの帯電微粒子ミストを生成する静電霧化装置も知られている。この帯電微粒子ミストは、健康や美容効果が高いとして注目されているものである。

特開平６−２４３９５２号公報

ところで、上記の圧電振動子を用いて静電霧化装置を構成した場合、圧電振動子に機械振動（超音波振動）が生じるため、帯電微粒子ミストのように健康や美容効果が得られる機能ミストの他にも、その機械振動にて生じる単なるミストも多く発生するため、効率良く帯電微粒子ミストを生成することが難しかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、圧電振動子を用いながらも、効率良く帯電微粒子ミストを生成することができる静電霧化装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、一次側電極への電圧印加に基づく電気−機械−電気変換により二次側電極にて高電圧を発生させる圧電振動子と、前記圧電振動子にて発生した高電圧印加に基づいて放電を行う放電電極と前記放電電極に液体供給を行う液体供給手段とを備え、前記放電により前記液体を霧化させて帯電微粒子ミストを生成する静電霧化装置であって、前記放電電極と前記圧電振動子の二次側電極とは、前記圧電振動子の機械振動の前記放電電極側への伝達を抑制するための振動減衰手段を介して電気的に接続されていることをその要旨とする。

この発明によれば、放電電極と圧電振動子の二次側電極とは、圧電振動子の機械振動の放電電極側への伝達を抑制するための振動減衰手段を介して電気的に接続されるため、放電電極にてその機械振動から生じる帯電していないミストの発生を抑制でき、効率良く帯電微粒子ミストを生成することが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の静電霧化装置において、前記放電電極と前記圧電振動子の二次側電極との電気的接続を図る接触部材を備え、その接触部材自身が弾性を有することで前記振動減衰手段が構成されていることをその要旨とする。

この発明によれば、放電電極と圧電振動子の二次側電極との電気的接続を図る接触部材が備えられ、その接触部材自身が弾性を有することで振動減衰手段が構成されるため、部品点数を増加させることなく、圧電振動子で生じる機械振動の放電電極への伝達が抑制される。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の静電霧化装置において、前記放電電極と前記圧電振動子の二次側電極との電気的接続を図る接触部材を備え、その接触部材に弾性部材が固定されることで前記振動減衰手段が構成されていることをその要旨とする。

この発明によれば、放電電極と圧電振動子の二次側電極との電気的接続を図る接触部材が備えられ、その接触部材に弾性部材が固定されることで振動減衰手段が構成されるため、別個で用意する弾性部材にて好適に圧電振動子で生じる機械振動の放電電極への伝達が抑制される。

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の静電霧化装置において、前記接触部材は、前記圧電振動子の二次側電極と点接触されていることをその要旨とする。
この発明によれば、接触部材は、圧電振動子の二次側電極と点接触されるため、圧電振動子で生じた機械振動が接触部材、ひいては放電電極に伝達することがより確実に抑制可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電霧化装置において、前記放電電極から霧化されたミストを移送させるための風を送る送風手段を有することをその要旨とする。

この発明によれば、放電電極から霧化されたミストを移送させるための風を送る送風手段が備えられるため、生成された帯電微粒子ミストを所望箇所へ効率良く移送でき、健康や美容効果の向上に寄与できる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の静電霧化装置において、前記放電電極に対してグランドに接続された対向電極を有することをその要旨とする。
この発明によれば、放電電極に対してグランドに接続された対向電極が備えられるため、放電電極の放電が効率良くかつ安定して行われ、より良好に帯電微粒子ミストを生成することが可能となる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の静電霧化装置において、前記液体供給手段は、ペルチェユニットの冷却動作にて前記放電電極に結露を生じさせ結露水を供給するように構成されていることをその要旨とする。

この発明によれば、ペルチェユニットによって放電電極が冷却され、放電電極に空気中の水分から結露を生じさせその結露水が静電霧化に用いられる。これにより、静電霧化のための液体をタンク等の貯留手段を用いることなく対応できるため、静電霧化装置の小型軽量化や、液体をその都度供給する手間を省略可能となる。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の静電霧化装置において、前記放電電極は、複数備えられていることをその要旨とする。
この発明によれば、放電電極は複数備えられているため、放電電極を１つ備えた場合に比べて帯電微粒子ミストの生成量を増加することが可能となる。

請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の静電霧化装置において、前記圧電振動子は、機械振動の節となる位置から前記二次側電極にかけて断面積が小さくなっていることをその要旨とする。

この発明によれば、圧電振動子は、機械振動の節となる位置から二次側電極にかけて断面積が小さくなっているため、より効率良く二次側電極に昇圧された高電圧の発生が可能となる。

請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９のいずれか１項に記載の静電霧化装置において、前記圧電振動子において、機械振動の節となる位置には、前記圧電振動子を保持する保持部が設けられていることをその要旨とする。

この発明によれば、圧電振動子において、機械振動の節となる位置には、圧電振動子を保持する保持部が設けられるため、圧電振動子を保持する保持部によって圧電振動子の節にその機械振動による引張・圧縮応力が集中することを抑制することができる。従って、機械振動の節となる位置での圧電振動子の破断を回避することができる。

請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の静電霧化装置において、前記圧電振動子において、機械振動の節となる位置が複数存在するとともに、前記保持部が設けられている節となる位置以外の節となる位置には、前記圧電振動子を保護する保護部が設けられていることをその要旨とする。

この発明によれば、圧電振動子において、機械振動の節となる位置が複数存在するとともに、保持部が設けられている節となる位置以外の節となる位置には、圧電振動子を保護する保護部が設けられるため、圧電振動子を保持する保持部及び保護部によってそれぞれの圧電振動子の節に機械振動による引張・圧縮応力が集中することを抑制することができる。従って、複数存在する機械振動の節となる位置での圧電振動子の破断を回避することができる。

請求項１２に記載の発明は、請求項請求項１〜１１のいずれか１項に記載の静電霧化装置において、前記圧電振動子の二次側電極には保護材が設けられていることをその要旨とする。

この発明によれば、圧電振動子の二次側電極には保護材が設けられているため、二次側電極において、酸や高電圧、強い機械振動への耐久性が向上する。

本発明によれば、圧電振動子を用いながらも、効率良く帯電微粒子ミストを生成することができる静電霧化装置を提供することができる。

本実施形態における静電霧化装置の構成図。 （ａ）本実施形態における圧電振動子の縦断面図、（ｂ）本実施形態における圧電振動子の斜視図。 （ａ）〜（ｃ）別例における放電電極部分の構成図。 （ａ）（ｂ）別例における放電部分の構成図。 別例においてペルチェユニットを備えた構成図。 別例において振動減衰のための弾性部材を備えた構成図。 （ａ）〜（ｃ）別例において種々の形状の圧電振動子を示す構成図。 （ａ）（ｂ）別例において種々の形状の対向電極を示す構成図。 別例における圧電振動子に保持部材及び保護部材を設けた構成図。

以下、本発明を具体化した本実施形態を図面に従って説明する。なお、以下に示す各図は帯電微粒子ミストを生成するためのメカニズムを説明する上で必要な構成のみを図示した静電霧化装置の模式図となっており、静電霧化装置におけるその他の構成については図示及び説明を省略している。

図１に示すように、静電霧化装置には図示しないタンクホルダにタンク１が着脱可能に設けられている。タンク１内の液体は、液体供給路２上に配設された給水ポンプＰによって、液体供給路２を介して放電電極３へ供給されるようになっている。また、静電霧化装置にはファン４が設けられている。

図２（ａ）（ｂ）に示すように、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系材料からなる矩形板状の圧電振動子（圧電トランス）１０は、その厚み方向と長手方向の二方向に分極されて構成されている。圧電振動子１０の長手方向（図２に示す矢印Ｘの方向）における一方の端面側に二次側電極（出力電極）１１が設けられている。また、圧電振動子１０の長手方向における他方側であって、圧電振動子１０の厚み方向（図２に示す矢印Ｙの方向）における両面には一次側電極（入力電極）１２ａ，１２ｂがそれぞれ設けられている。なお、圧電振動子１０の厚み方向と長さ方向の寸法比は、入力電圧と出力電圧の略増幅比に相当し、本実施形態では１０〜２０倍程度に設定されている。

図１に示すように、一次側電極１２ａ，１２ｂは電力（交流電圧）を供給する電力供給部１３と電気的に接続されるとともに、電力供給部１３により圧電振動子１０の長手方向の長さに対応した共振周波数の交流電圧が一次側電極１２ａ，１２ｂへ印加されるようになっている。この交流電圧印加に基づいて、圧電振動子１０の長手方向に強い機械振動（超音波振動）が生じるとともに、図１に二点差線で示す波長１／２λを形成する定在波Ｗ１モードで振動する。なお、本来、定在波は縦波の振動であるが、図１においては説明の都合上、横波で図示している。この機械振動により電力供給部１３から一次側電極１２ａ，１２ｂへ印加された電圧よりも昇圧された高電圧が二次側電極１１に発生する。

二次側電極１１に生じる高電圧は、二次側電極１１の放電電極３側の面の中央部にて点接触する接触部材１４を通じて放電電極３に印加されるようなっている。本実施形態では、放電電極３と圧電振動子１０とはそれぞれ別個に支持されているとともに、放電電極３と接触部材１４とが固定されその接触部材１４が圧電振動子１０の二次側電極１１に接触されている。

接触部材１４は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、銅及びアルミ等の金属材料にて弾性を有するように形成され、圧電振動子１０で生じる機械振動が放電電極３に伝達されることを抑制する。このため、部品点数を増加させることなく、機械振動が放電電極３に伝達されることを抑制しながら二次側電極１１にて昇圧された高電圧を放電電極３に印加可能としている。また、二次側電極１１と接触部材１４とは点接触されているため、圧電振動子１０で生じる機械振動が放電電極３に伝達されることがより確実に抑制できるようになっている。なお、二次側電極１１には図示しない保護材としての耐酸性材料からなる金メッキ等のコーティングがされており、二次側電極１１において酸や高電圧、強い機械振動への耐久性を向上させている。

また、圧電振動子１０における定在波Ｗ１の節Ｆ１となる位置には、圧電振動子１０を保持する保持部としての保持部材１６が、圧電振動子１０を厚み方向に挟むように設けられている。保持部材１６は弾性体からなり、圧電振動子１０に対して図示しないボルトによって共締めされるとともに、静電霧化装置における図示しない支持部に支持されている。そのため、圧電振動子１０において長手方向に機械振動が生じるが、圧電振動子１０を挟持する保持部材１６がその定在波Ｗ１の節Ｆ１となる位置に設けられていることで、その節Ｆ１に引張・圧縮応力が集中することが抑制できるようになっている。

放電電極３に対向するようにグランドに接続された対向電極１５が設けられており、放電電極３と対向電極１５と間に高電圧が印加されて放電電極３周りにコロナ放電を生じさせ、タンク１から液体供給路２を介して放電電極３の先端に供給された液体が帯電するとともに、帯電した液体にクーロン力が作用する。さらに、放電電極３の先端に供給保持された液体の液面が、局所的に先端が尖った錐状に盛り上がってテーラーコーンとなり、このテーラーコーンの先端部に電荷が集中して高密度化されるとともに、高密度化された電荷の反発力による液体の***・飛散（レイリー***）を繰り返して静電霧化が行われる。そして、電気分解によりラジカルを有するナノメータサイズの帯電微粒子ミストが生成される。このように生成された帯電微粒子ミストは、ファン４によって所望箇所に向けて（図１に示すＸ１矢印方向に向けて）効率良く移送できるようになっており、健康や美容効果が得られるようになっている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、放電電極３と圧電振動子１０の二次側電極１１とは、圧電振動子１０の機械振動の放電電極３側への伝達を抑制するための接触部材１４を介して電気的に接続されている。そのため、放電電極３にてその機械振動から生じる帯電していないミストの発生を抑制でき、効率良く帯電微粒子ミストを生成することができる。

（２）本実施形態では、放電電極３と圧電振動子１０の二次側電極１１との電気的接続を図る接触部材１４が備えられ、その接触部材１４自身が弾性を有することで振動減衰手段が構成される。そのため、部品点数を増加させることなく、圧電振動子１０で生じる機械振動の放電電極３への伝達を抑制することができる。

（３）本実施形態では、接触部材１４は、圧電振動子１０の二次側電極１１と点接触されているため、圧電振動子１０で生じた機械振動が接触部材１４、ひいては放電電極３に伝達することをより確実に抑制することができる。

（４）本実施形態では、放電電極３から霧化されたミストを移送させるための風を送るファン４が備えられているため、生成された帯電微粒子ミストを所望箇所へ効率良く移送でき、健康や美容効果の向上に寄与することができる。

（５）本実施形態では、放電電極３に対してグランドに接続された対向電極１５が備えられているため、放電電極３の放電が効率良くかつ安定して行われ、より良好に帯電微粒子ミストを生成することができる。

（６）本実施形態では、圧電振動子１０における機械振動の節Ｆ１となる位置に、圧電振動子１０を保持する保持部材１６が設けられているため、圧電振動子１０を保持する保持部材１６によって圧電振動子１０の節Ｆ１にその機械振動による引張・圧縮応力が集中することを抑制することができる。従って、機械振動の節Ｆ１となる位置での圧電振動子１０の破断を回避することができる。

（７）本実施形態では、圧電振動子１０の二次側電極１１には、耐酸性材料からなる金メッキ等の保護材が設けられている（コーティングされている）ため、二次側電極１１において、酸や高電圧、強い機械振動への耐久性が向上する。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、図１等で示すように、放電電極３の先端を鋭利な突状としているが、例えば図３（ａ）に示すように、放電電極３の先端を球状にして、液体との接触面積を増加させて帯電微粒子ミスト量を増加させる構成にしてもよく、図３（ｂ）に示すように、高電圧の印加による放電電極３の先端の劣化を防ぐために、先端を平面状にしてもよい。

また、図３（ｃ）に示すように、放電電極３を複数設けて帯電微粒子ミストの生成量を増加させてもよい。さらに、放電電極３を複数設ける場合、図４（ａ）に示すように、１つの接触部材１４から複数の放電電極３を設けてもよく、図４（ｂ）に示すように、複数の接触部材１４にそれぞれ１つの放電電極３を設けてもよい。これらを組み合わせた構成としてもよい。

・上記実施形態では、タンク１を用いて放電電極３に液体を供給しているが、例えば接触部材１４において二次側電極１１側にペルチェユニット２０（液体供給手段）を設ける構成としてもよい。図５に示すように、ペルチェ素子２１の冷却面が接触部材１４に接するように配置されていて、ペルチェ素子２１の冷却面の反対側の放熱面には放熱フィン２２が取り付けられ、ペルチェ素子２１の駆動により接触部材１４を介して放電電極３を冷却して、該放電電極３の表面に結露を生じさせて該放電電極３に水分を供給する。ペルチェユニット２０にて液体供給すると、静電霧化のための液体をタンク１等の貯留手段を用いることなく対応できるため、静電霧化装置の小型軽量化や、液体をその都度供給する手間を省略可能となる。

・図６に示すように、接触部材１４に防振ゴム等の弾性部材３０を固定してもよい。つまり、接触部材１４に弾性部材３０が固定されることで振動減衰手段を構成している。これにより、別個で用意する弾性部材３０にて好適に圧電振動子１０で生じる機械振動の放電電極３への伝達が抑制される。

・図７（ａ）に示すように、圧電振動子１０の長手方向における定在波Ｗ１の節Ｆ１から二次側電極１１にかけての両側面４０ａ，４０ｂは、二次側電極１１側へ向かうにつれて曲線状に縮幅する構成としともよい。二次側電極１１側の圧電振動子１０の短手方向の幅Ｈ１は、定在波Ｗ１の節Ｆ１にあたる圧電振動子１０の短手方向の幅Ｈ２よりも短くなっているため、二次側電極１１側へ向かうにつれて圧電振動子１０の断面積が減少し、より効率良く二次側電極１１に昇圧された高電圧の発生が可能となる。また、図７（ｂ）に示すように、二次側電極１１に向かうにつれて両側面４０ａ，４０ｂが直線状に縮幅する構成としてもよく、図７（ｃ）に示すように、二次側電極１１側が幅狭の段付き形状として構成しても同様の効果を得ることができる。

・上記実施形態において特に言及していなかったが、対向電極１５を図８（ａ）に示すように、平面視矩形状の複数の孔１５ａが形成された網目状に構成してもよく、また図８（ｂ）に示すように、対向電極１５をリング穴１５ｂ状にて構成して放電電極３をそのリング穴１５ｂの中心に位置するように配置してもよい。

・上記実施形態では、圧電振動子１０は波長１／２λを形成する定在波Ｗ１モードで振動するようにしたが、例えば図９に示すように、波長１λを形成する定在波Ｗ２モードで振動させてもよい。この場合、定在波Ｗ２における節が図９に示すように二箇所（節Ｆ１，Ｆ２）存在することになる。そこで、圧電振動子１０における節Ｆ１の位置に設けた保持部材１６に加えて、圧電振動子１０における節Ｆ２の位置に、圧電振動子１０を保護する保護部としての保護部材５０が設けられている。保護部材５０は、弾性体からなり、圧電振動子１０を厚み方向に挟むように図示しないボルトによって共締めされるとともに、静電霧化装置における図示しない支持部に支持されている。これにより、圧電振動子１０において長手方向に機械振動が生じ、定在波Ｗ２の節Ｆ１，Ｆ２に引張・圧縮応力が集中したとしても、圧電振動子１０を挟持する保持部材１６及び保護部材５０が定在波Ｗ２の節Ｆ１，Ｆ２に集中する引張・圧縮応力を抑制することができ、圧電振動子１０の破断を回避することができる。

・上記実施形態において、接触部材１４は図２（ｂ）に示すように二次側電極１１との接触面の中央部にて点接触しているが、中央部でなくてもよく、例えば図４（ａ）に示すように幅方向端部側に接触させてもよい。

・上記各実施形態において、液体供給手段として給水ポンプＰを用いたが、例えば毛細管現象によりタンク１に溜めた液体を放電電極３に供給するようにしてもよい。
・上記実施形態において、圧電振動子１０はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系材料を用いて構成したが、他の圧電体を用いて圧電振動子１０を構成してもよい。

・上記実施形態において、ペルチェユニット２０の放熱フィン２２に送風ファン４の送風があたる構成としてもよい。この場合、より効率的に放熱フィン２２を冷却することができる。

・上記実施形態において、保持部材１６は圧電振動子１０に対してボルトによって共締めされているが、固定方法はこれに限らず、ハウジングによる挟み込みや接着剤等を用いて固定してもよい。

１…タンク（液体供給手段）、３…放電電極、４…ファン（送風手段）、１０…圧電振動子、１１…二次側電極、１２ａ，１２ｂ…一次側電極、１４…接触部材（振動減衰手段）、１５…対向電極、１６…保持部材（保持部）、２０…ペルチェユニット（液体供給手段）、３０…弾性部材（振動減衰手段）、５０…保護部材（保護部）、Ｆ１，Ｆ２…節。

Claims (12)

1. 一次側電極への電圧印加に基づく電気−機械−電気変換により二次側電極にて高電圧を発生させる圧電振動子と、前記圧電振動子にて発生した高電圧印加に基づいて放電を行う放電電極と、前記放電電極に液体供給を行う液体供給手段とを備え、前記放電により前記液体を霧化させて帯電微粒子ミストを生成する静電霧化装置であって、
   前記放電電極と前記圧電振動子の二次側電極とは、前記圧電振動子の機械振動の前記放電電極側への伝達を抑制するための振動減衰手段を介して電気的に接続されていることを特徴とする静電霧化装置。
2. 請求項１に記載の静電霧化装置において、
   前記放電電極と前記圧電振動子の二次側電極との電気的接続を図る接触部材を備え、その接触部材自身が弾性を有することで前記振動減衰手段が構成されていることを特徴とする静電霧化装置。
3. 請求項１に記載の静電霧化装置において、
   前記放電電極と前記圧電振動子の二次側電極との電気的接続を図る接触部材を備え、
   その接触部材に弾性部材が固定されることで前記振動減衰手段が構成されていることを特徴とする静電霧化装置。
4. 請求項２又は３に記載の静電霧化装置において、
   前記接触部材は、前記圧電振動子の二次側電極と点接触されていることを特徴とする静電霧化装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電霧化装置において、
   前記放電電極から霧化されたミストを移送させるための風を送る送風手段を有することを特徴とする静電霧化装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の静電霧化装置において、
   前記放電電極に対してグランドに接続された対向電極を有することを特徴とする静電霧化装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の静電霧化装置において、
   前記液体供給手段は、ペルチェユニットの冷却動作にて前記放電電極に結露を生じさせ結露水を供給するように構成されていることを特徴とする静電霧化装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の静電霧化装置において、
   前記放電電極は、複数備えられていることを特徴とする静電霧化装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の静電霧化装置において、
   前記圧電振動子は、機械振動の節となる位置から前記二次側電極にかけて断面積が小さくなっていることを特徴とする静電霧化装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の静電霧化装置において、
    前記圧電振動子において、機械振動の節となる位置には、前記圧電振動子を保持する保持部が設けられていることを特徴とする静電霧化装置。
11. 請求項１０に記載の静電霧化装置において、
    前記圧電振動子において、機械振動の節となる位置が複数存在するとともに、前記保持部が設けられている節となる位置以外の節となる位置には、前記圧電振動子を保護する保護部が設けられていることを特徴とする静電霧化装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の静電霧化装置において、
    前記圧電振動子の二次側電極には保護材が設けられていることを特徴とする静電霧化装置。

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