JP2849647B2 - 流体の小水滴製造装置及びその方法 - Google Patents

流体の小水滴製造装置及びその方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、流体、液体、液体懸濁液（以下、「流
体」、又は、「液体」という）の小水滴を電子機械的ア
クチュエータ（好適には、電気音響的アクチュエータ）
により製造する装置及び方法に関する。
微細な小水滴の飛沫、霧、エーロゾル（以下、「飛
沫」という）を、周囲の空気または他のガスとの表面に
おける液体上の高周波機械振動作用により製造すること
が知られている。関係あると考えられる従来技術は以下
の特許明細書を含む:GB−Ａ−2041249,US−Ａ−381285
4,US−Ａ−4036919,DE−Ａ−3434111,DE−Ａ−3734905,
US−Ａ−4533082,EP−Ａ−0432992,EP−Ａ−0480615、
及び、Physical Principles of Ultrasonic Technology
by Rosenberg,published in Plenum。
いくつかの例（例えば、DE−Ａ−3734905,US−Ａ−38
12854）では、液体−気体表面は液体内に設けられた機
械振動源から数ミリ離れており、エーロゾルは、液体内
を通過し液体表面に音波として伝播するこれらの振動運
動により生じる。そのようなケースのいくつかにおいて
は（例えば、US−Ａ−3812854）、液体−気体表面は多
孔質媒体により抑制されている。
他のケース（例えば、GB−Ａ−2041249）において
は、液体は、非多孔膜上に薄膜の形で設けられ、その非
多孔膜は、同様の隔離した機械振動源によりそれ自身が
駆動される。
この方法は効率をある程度改善するが、装置は比較的
複雑なアセンブリのままであり、比較的限定された範囲
の動作条件を有する。例えば、それは流体チャンバを必
要とする。
さらに他のケース（例えば、EP−Ａ−0432992）にお
いては、振動手段を多孔膜に環状部材により結合するこ
とにより効率の改善を図っている。この環状部材は、多
孔膜に結合する比較的薄い環状部と振動手段に結合する
比較的厚い外部環状部とを有する。この部材は、インピ
ーダンス変換器として作用し、これにより振動手段の音
響振動の比較的小さい振幅が、多孔膜への伝達に先立っ
て増幅されると主張されている。この明細書は付加的要
素（例えば、流体チャンバ）の使用を記載しており、同
様に比較的限定された範囲の動作条件を有する。
US−Ａ−4533082、及び、EP−Ａ−0432992からは、使
用中に拡散されるべきある量の液体を収容するチャンバ
を規定するハウジングを有する拡散装置を設けることが
知られている。そのハウジングは、チャンバの前壁を規
定し、使用中に液体に接触する背面を有する多孔膜を有
する。その装置はさらに、ハウジングに連結され、液体
の小水滴を多孔膜を通じて拡散させるために多孔膜を振
動させるよう動作可能な振動手段を有する。
US−Ａ−4533082は、膜と、当該膜を駆動するために
収縮及び伸張するピエゾ電気アクチュエータとを備えて
いる流体の小水滴製造装置を開示している。
本発明の目的は、従来技術による装置及び方法に伴う
種々の問題を解決すること、及び、特に装置の簡素化を
図ることにある。
本発明の第一の観点からは、膜と、屈曲モードで動作
し、ほぼアクチュエータの屈曲方向に前記膜を振動させ
る複合薄肉構造を有している膜振動用のアクチュエータ
と、 流体を前記膜の表面に直接供給する手段とを備え、流
体が該手段から前記膜の振動により噴霧される流体の小
水滴製造装置が提供される。
これにより、膜は、膜に案内された流体のメニスカス
に影響を与えるように構成される。
好適には、アクチュエータは実質的に平坦であるが、
いくつかの環境においては薄肉屈曲構造が適当であると
思われる。もう一つの平面でない薄肉構造は、接着され
た層を有する構造であり、それぞれの層の剛性は、実質
的に同じ方法で接着された共通の面領域に渡って変化す
る。全ての場合において、アクチュエータは全体領域に
渡って薄肉である。
流体は流体源から直接的に膜（それは、厚さにおいて
先細り状であり、及び／又は、組織化された面を有す
る）に接触するように供給され（好ましくは、膜がその
一部となるチャンバを規定するハウジングに使用せず
に、）振動手段の動作によって膜から拡散される。
膜を、多孔膜とすることができ、その場合、前面は孔
と実質的に同心状に設けられた環状の局部的に高い領域
を有する。
本発明の構成の一つの利点は、流体小水滴の飛沫の製
造に比較的単純で低コストの装置を使用できることであ
る。
この構成の第２の利点は、そのような単純で低コスト
の装置が、膜と振動手段のアセンブリに対して、比較的
広い範囲の流体源の幾何学的配置構造をもたらすことで
ある。
この構成の第３の利点は、膜（拡散されるべき量の流
体を収容するチャンバを規定するハウジングの形で）に
対する液体の容器が無いため、流体により生じ、流体の
小水滴としての拡散を制限する慣性質量及び減衰を減少
させることができることである。その結果、より効率的
な動作が実現され、振動手段の駆動のためのエネルギー
の使用が少ない。
本発明の構成の一つの利点は、流体小水滴の飛沫の製
造に比較的単純で低コストの装置を使用できることであ
る。
この構成の第２の利点は、そのような単純で低コスト
の装置により、膜及び振動手段に対する流体源の比較的
広汎な幾何学的配置を提供することが可能となることで
ある。
この構成の第３の利点は、膜（拡散されるべき量の流
体を収容するチャンバを規定するハウジングの形で）に
対する液体の容器が無いため、流体により生じ、流体の
小水滴としての拡散を制限する慣性質量及び減衰を減少
させることができることである。その結果、より効率的
な動作が実現され、振動手段の駆動のためのエネルギー
の使用が少ない。
膜の前面は流体小水滴（及び／又は、小水滴に続いて
現われる短い流体の噴射）が噴出する面として規定さ
れ、膜の後面は前面に対向する面として規定される。小
水滴の語は、小水滴に続いて多孔状の膜の前面から噴き
出す短い流体の噴射をも含むよう意図される。
膜への流体の供給は、後面の領域へのもの（後面供
給）又は前面の領域へのもの（前面供給）のいずれかで
ある。膜が、多孔状でない場合には、前面供給のみが可
能である。
流体は、複数の方法により膜の表面に直接的に供給さ
れうる。
例えば、液体は膜の表面へ、毛管給水装置により供給
されうる。毛管給水装置は、流体源から膜の近傍へ延び
るあらゆる材料の形態をとりうる。毛管は、流体源から
膜へと流体が通過する表面、又は、表面のアセンブリを
有する。材料の形態の例は、連続気泡発泡体、繊維状の
芯、実質的に流体源から膜方向に走り交互に高低の表面
エネルギーを有する縞が設けられた表面を有する材料、
実質的に流体源から膜の方向へ走る細孔又は溝により凹
凸のつけられた表面を有する材料、紙、綿の糸、及び、
ガラス又はポリマーの毛細管などがある。
好適には、そのような毛管給水装置は、可撓性の材料
から形成される。一つの例は、多孔膜の表面及びその面
の流体源まで続く無孔部分に近接する薄い葉状の弾性部
材を含む。これは、毛細管運動により流体源から膜へ液
体を導く。このような可撓性の形状は、構成が単純であ
り、これにより毛管給水手段は膜の近傍に容易に接触
し、小水滴の製造が妨げられるような膜の振動に対する
抵抗を生じることなしに流体が膜へ送られる。
比較的高い小水滴の製造速度が要求される場合には、
毛管給水装置は好適には、流体源から膜までの流体の流
れる方向に直交して、毛管材料に占められる領域と流体
が流れる毛管材料表面間の領域との比率が比較的小さく
なるように開放構造とされる。可撓性連続気泡発泡体や
いくつかの種類の繊維状の芯は、上記の可撓性と比較的
開放的な構造の両方を提供する。
毛管給水装置の代わりに、液体の個々の水滴は、振動
により小水滴の形で液体が拡散される膜の表面に直接的
に置かれてもよい。
液体のさらに他の供給は、膜の一面に液体蒸気を圧縮
することにより実現できる。そのように圧縮された液体
は、既に記載されたように、小水滴の形で拡散される。
膜を多孔膜とすることが好ましく、使用時に液体が拡
散される孔の列が定められた薄板を有する。これは、溶
解液およびいくつかの懸濁液の供給に特別な利益をもた
らす。
好適には、孔は多孔膜により定められ、それぞれは前
面に比較的小さな横断面領域を有し、後面に比較的大き
な横断面領域を有する。以後、そのような孔は、先細り
状の孔と呼ばれる。好適には、先細り状の孔の断面の後
面から前面への減少は、穏やかでかつ単調である。
そのような先細り状の孔は小水滴の拡散を促進すると
考えられる。多孔膜の後面の個々の孔の比較的大きな断
面領域への置き換えにより、この流体の領域から比較的
多量の流体が噴き出される。
他の条件を固定すると、そのような先細り状の孔は、
所定のサイズの小水滴を作り出すのに必要な多孔膜の振
動の振幅を減少させる。このような振幅の減少の一つの
理由は、孔を通過する時の液体に関する粘性抵抗が減少
することにある。その結果、電気機械アクチュエータの
より低い励起が使用されうる。これは、小水滴の製造に
おいて、パワーの効率を改善する利益をもたらす。
そのような利益は、バッテリー式噴霧装置においては
大変重要である。さらに、それは小水滴製造に必要な膜
の機械的応力を減少させ、誤動作率の減少に寄与する。
さらにまた、それは十分な小水滴を製造する比較的厚
く、耐久性の高い膜の使用を可能にする。加えて、それ
は比較的粘性の高い液体から効率的に、首尾よく小水滴
を製造することを可能にする。
先細り状の孔は、円錐台、指数関数形円錐、双一次形
の円錐型先細り形状等、良好にいくつかの幾何学的な形
状をとることができる。
膜の前面の孔の小さい断面領域のサイズは、膜から噴
射される希望の小水滴の直径に応じて選ばれる。流体の
特性と膜の励起動作条件とに依存して、円形断面の孔に
ついては、噴出する小水滴の直径は典型的に膜の小水滴
が噴出する面の孔の直径の１〜３倍の範囲にある。
例えば孔の厳密な形状等の他の要因を固定すると、先
細りの程度は、その孔から十分に小水滴が製造されるた
めに必要な膜の振動の振幅に影響を与える。要求される
膜の振動の振幅の実質的な減少は、先細り形状の半角が
30度から70度の範囲内の時に現われる。但し、この範囲
外でも改善はなされうる。
上述したような先細り形状の孔を有する多孔膜につい
ては、流体は毛管給水装置により流体源から膜の前面の
一部分に供給することができ、また、この実施例では、
流体は振動手段による膜の振動運動による小水滴として
の噴射に先だって、少なくとも膜の孔のいくつかの孔を
介して膜の後面に導かれることがわかっている。この実
施例は以下のような利点を有する。即ち、例えば、懸濁
液又はコロイド等の液体と個体粒子成分の多相の混合の
流体の拡散においては、それらを流体小水滴内でその後
に噴出するための孔のサイズと比べて十分に小さいサイ
ズの粒子のみが多孔膜の前面から後面へ通過する。この
ようにして、多孔膜に微粒子が詰まる可能性が著しく減
少される。
膜の面は平坦である必要は無い。特に、多孔膜に関し
ては、前面は個々の孔を直接囲む局部的に高い領域を有
することが有益である。そのような局部的に高い領域
は、膜の平坦な前面に孔を並べた場合に比べ、孔の前面
近傍の流体のメニスカスをより効率的にピン状にするこ
とにより、小水滴の拡散を促進すると考えられる。そし
て、それにより、小水滴拡散について、膜の前面が流体
により湿ることにより生じる問題を軽減する。後面給水
装置を有する膜の孔構造の前面が湿ることを抑制するメ
ニスカスのピン形状は、代替的に又は付加的に、流体を
反発する物質で膜の前面を作り、もしくはコートするこ
とにより実現できる。
好適には、膜、特に多孔膜の又は組織化された膜は、
実質的に金属的な、電気的に成形された薄板として形成
され、便利にはニッケル又は電気的に成形されたニッケ
ル化合物から形成される。但し、他の電気的に成形可能
な金属又は金属化合物からも形成されうる。そのような
薄板は、製造プロセスによってのみ厚さと領域とを限定
して形成され、現在の技術では個々の薄板からは複数の
多孔膜が切り取られる。そのような薄板の中の多孔膜内
に形成される孔は、電気的成形工程と組み合わされた最
初の写真製版工程により定まるサイズと形を有する。そ
れらのプロセスは、上述したような形状の先細り状の
孔、及び／又は、孔の周りの局部的に高い領域を簡便に
作ることができる。
少なくともニッケルを電気成形する場合には、上述の
態様の多くの流体と適当に使用される流体に反発するコ
ーティングを形成するために、金の電気的鍍金が便利に
使用される。
アクチュエータは、好適には、少なくともアクチュエ
ータ材料の一部内で選択された周波数で交番する電界
（電気音響アクチュエータの場合）又は磁界（磁気音響
アクチュエータの場合）と共に、ピエゾ電気、及び／又
は、電気ひずみ（以下、電気音響という）アクチュエー
タ、若しくは、ピエゾ磁気、及び／又は、磁気ひずみ
（以下、磁気音響という）アクチュエータを有する。交
番する電界は電気エネルギー源及び電気回路により簡便
に得ることができ、交番する磁界は電気エネルギー源、
電気回路及び透磁性物質により簡便に得ることができ
る。
有利には、特に現在の電気音響アクチュエータの製造
技術においては、アクチュエータは印加された電界又は
磁界に反応して屈曲する要素として形成される。屈曲要
素の例は、単一形（monomorph）、単一形（unimorp
h）、複形（bimorph）、又は、複数形（multimorph）の
屈曲要素として現在の技術において知られている。これ
らのアクチュエータの形状は、所定の印加された交番す
る電界又は磁界に応答して、所定のサイズのアクチュエ
ータについて比較的大きい振幅の振動運動をもたらすこ
とができる。
この比較的大きな運動は、対応する比較的大きい振幅
の振動運動を生じるべくアクチュエータと膜の領域を接
着している手段を介して伝達され、それにより小水滴の
拡散を促進する。
振動手段と膜の結合を以下では噴霧ヘッドと呼ぶ。
好適には、製造の単純化のため、電気音響アクチュエ
ータは、中心穴を有し、実質的に一定の厚さのピエゾ電
気、及び／又は、ピエゾひずみ性のセラミック物質から
なる環状のディスクであり、比較用の機械的剛性を有す
る環状の金属又はセラミックの基板に実質的に同心円状
に接着されている。この出願において、文言「機械的剛
性」は、剛性Yt2を意味する。ここで、ｔは層の厚さを
示す。従来、剛性はYt3によって評価されていたが、必
ずしもそうとは限らないが簡便には、基板の環帯の外径
をアクチュエータの配置を容易にすべくそれに接着され
る電気音響材料のそれよりも大きくすることができる。
電気音響又は磁気音響アクチュエータの形状は、矩形を
含む他の多くの幾何学的形状が取りうる。
円形ディスクの形で、通常は中心穴を有しない同様の
アクチュエータは商業的に低いコストで手に入れること
ができ、従来から人間の可聴音声を生成する要素として
広い範囲の応用がある。提供者の例は、日本のMurata、
及び、ドイツのHoechst CeramTec AG of Laufを含む。
噴霧ヘッドを形成するために、この環状のディスク又
は基板の内半径に、円形膜のの形状の膜の外半径が接着
される。
膜は、電気音響アクチュエータの基板と一体的に形成
される。通常のケースでは、それは基板と同一の材料か
らなる。これは、膜とアクチュエータの間の電食効果を
回避する利点がある。
そのような噴霧ヘッドは、さまざまの共振振動モード
を有する。それは、噴霧ヘッドと交差する振動振幅の分
布により（また、所定のサイズの噴霧ヘッドに関してそ
れらのモードが生じる交番周波数により）特徴付けられ
る。その噴霧ヘッドでは、印加された交番する界の所定
の振幅に対する膜の振動の振幅は比較的大きい。これら
のモード形状と特徴的な周波数とは、噴霧ヘッドの設置
の詳細、及び／又は、膜及び／又はアクチュエータと接
触する流体の存在（もし、あれば）、により変形され
る。典型的には、直径が１マイクロメータから100マイ
クロメータの小水滴の拡散に有益なモードは、上記の人
間の可聴周波数を超える。小水滴の製造は、それゆえ、
ほとんど完全に無音でなされ、多くの応用において有益
である。
電気音響振動手段の振動の好適なモードは、そのモー
ドが励起される周波数領域内の電気音響材料の少なくと
も一部内に交番する電界を生成する電子回路により実現
される。振動の基礎的でないモードにおける動作が好適
である。
有益なことには、電気音響アクチュエータと結合する
電子回路は、好適な振動モードの励起をもたらす、自己
同調である。そのような、自己同調回路は、好適なモー
ドでの比較的大振幅の振動を可能にし、それゆえ、広い
範囲の小水滴拡散条件の為に維持されるべき比較的効率
的な小水滴拡散を可能にし、また、多くの噴霧ヘッド及
び毛管給水装置のアセンブリに渡って微細な調整を必要
とせず、個々のアセンブリを最適な動作条件に適合させ
ることを可能にする。この繰り返しは、多量で低コスト
の製造の応用に実用的に利益がある。
自己同調は、電子回路によってもたらされる。その電
子回路は、好適な振動モードが励起される周波数領域で
ゲインを生じる電気音響材料に優先的に応答する。これ
を実現する一つの手段は、電子回路の動作に影響を与え
るアクチュエータの振動の振幅、及び／又は、モード型
に依存する電気的出力信号を出力する電気音響アクチュ
エータと一体的なフィードバック電極の使用である。そ
のようなフィードバック電極と自己同調回路の例は、デ
ィスク型のピエゾ電気音声生成要素の分野では広く知ら
れている。但し、それらは通常、基礎的又は低次の共振
振動モードにおける刺激共振振動についてのみ適当であ
るけれども。しかしながら、フィードバック電極の形
状、及び／又は、回路のバンドパス及び位相シフト特性
の適合は、選択された好適な、より高次の振動モードで
の自己同調励起を可能にする。
第２の例は、振動の共振モード領域においてインピー
ダンスが大きく変化する電気音響増幅器により示される
電気的インピーダンスに応答する回路の使用である。
いくつかの応用においては、小水滴を、それらが目標
とされる目的物へ誘導されるように電気ひずみ的に充満
させることが望ましい。
本発明の好適な実施例を、例としてのみ、添付の図面
を参照して説明する。添付図面において： 図１は、小水滴拡散装置の模式的断面図であり、 図2aは、そのような装置の噴霧ヘッドの好適な実施例
の平面図であり、 図2bは、装置の断面図であり、 図３は、連続気泡発泡体供給装置を有する小水滴拡散
装置の一部の模式的断面図であり、 図４は、以下に説明される実施例に使用される多孔膜
の好適な形状の断面を示し、 図５は、第１の代用の膜の構造を示し、 図６は、第２の代用の膜の構造を示し、 図７は、第３の代用の膜の構造を示し、 図８は、好適な実施例によるアクチュエータの台を示
し、 図９乃至図11は、他の配置方法を示し、 図12は、以下に好適な実施例を参照して記載される複
合平坦アクチュエータの形状を示し、 図13は、好適な実施例の駆動電子系のブロック回路図
である。
図14は、図13のアクチュエータの電気的等価回路を示
す。
図15は、図13の回路の典型的な低コスト化手段であ
る。
図16は、アクチュエータの例の横断面を示す。
図17は、同一アクチュエータの高次の屈曲モードの節
点位置を示す。
図18は、同一のアクチュエータの平面図を示す。
図19は、本発明の装置の小水滴供給への使用を図示す
る。
概 要 図１は実施例の特徴を大まかに示しており、詳細は他
の図に示される。図１が示すように、小水滴拡散装置１
は、流体源２と振動手段又はアクチュエータ７を有す
る。流体源２からは、毛管給水装置３により流体が多孔
膜５の後面52に供給される。振動手段又はアクチュエー
タ７としては、環状の電気音響ディスクが例示されてお
り、多孔膜５を振動させるため電源９から電力を得てい
る電子回路８により動作し、多孔膜の前面51から流体の
小水滴10を製造する。
微細なエーロゾルを噴射するのに好適な実施例におい
ては、エーロゾルヘッドはピエゾ電気の電気音響ディス
ク70からなる。電気音響ディスク70は、ピエゾ電気セラ
ミック環帯72と環状の多孔膜５とが接着された真鍮環帯
71を有する。真鍮環帯は、外径20mm、厚さ0.2mmで、直
径2.5の中心同心穴73を有する。ピエゾ電子セラミック
は、外径14mm、内径6mm、厚さ0.2mmである。セラミック
の上面74は、駆動電極75及び検知電極76の２つの電極を
有する。検知電極76は、内径から外径へ半径方向に延び
る2mm幅の金属部からなる。駆動電極75は残りの表面を
覆っており、0.5mmの空隙により検知電極から電気的に
絶縁されている。はんだ付けにより細い導線（図示せ
ず）に電気的に接合されている。
多孔膜５は、電気的に成形されたニッケルからなる。
それは、直径4mm、厚さ20ミクロンで、複数の先細り状
孔50を有する（図４参照）。これらは、出口の直径が５
ミクロン、入り口の直径が約40ミクロンで、50ミクロン
の格子状に配置されている。このような網目は例えばオ
ランダのStork Vecoから得られる。エーロゾルヘッド
５、７は、後述するように溝付きの環状基台に保持され
ている。
動作状態においては、駆動電極は400kHz近傍で約25V
の振幅でアクチュエータを機械的共振する自己共振回路
により駆動される。この機械的共振で動作すると、検知
電極からの信号は極大となる。駆動回路（詳細は後述す
る）は、ピエゾアクチュエータが400kHzの共振周波数に
近い周波数で、また、最大の噴射を得られるように定め
られた駆動電極−フィードバック（検知）電極間の位相
角で駆動されることを確保する。
流体の収容及び噴射は、BASFから入手できるBasotect
等の発泡性の毛管部材30により行われる。発泡材は、ノ
ズルプレート膜５に軽く圧迫される。
膜 上述したように、膜５は特徴的なパターンを付けられ
ている。そのような特徴的なパターンは多くの形を取り
うる。その例は、表面が浮き出した形状、貫通孔形状、
又は、表面エネルギーが変形された領域。例は、図４乃
至図７に示される。そのような形状が流体のメニスカス
に影響を与えうる場所では（少なくとも小水滴の現われ
る膜面上のそのようなメニスカス）、一般に我々は、
（少なくとも孔のあいた形状については）平均的な小水
滴の大きさの分布は形状の寸法に影響されることを知っ
ている。最も大きな影響は一般的には形状の横方向（膜
との共角）の寸法により与えられる。典型的には、所定
の横方向サイズの形状はその横方向サイズの２−４倍の
範囲の直径の小水滴の製造を促進する。
とりわけ好ましいのは、図４、５に断面図で示される
膜パターンの多孔膜で、それぞれ孔50、150を有する。
これは溶解流体から流体小水滴を作るために特に有用で
あり、前方噴射される小水滴の勢いが比較的高く、分布
の明確な小水滴分布をもたらすことが分かっている。こ
の形状はまた、懸濁状の粒子の特性線形寸法が、典型的
に、製造されるべき小水滴の平均半径の４分の１以下で
ある場合において、懸濁流体から小水滴を作ることにも
有効に使用できる。典型的に、これは粒子のサイズを孔
のサイズの２分の１以下に限定する。この形状により、
小水滴は膜の前面51または後面52のいずれかに供給され
る。
いくつかの応用においては、図６、７に示すような、
孔の開いていない、表面が組織化された膜形状を用いる
ことが有益である。そのような応用の一つの例は、粒子
の寸法が小水滴の寸法の４分の１以上である場合に、特
別に濾過を行わずに懸濁流体から小水滴を生成する場合
である。図６に示される形状は、膜の表面に生じる流体
の薄い層のピン状のメニスカスとして機能する表面浮き
出し形状53を有する。図７に示される形状は、例えば、
膜上に異なる材料を適当に選択し、又は材料を処理する
ことにより作られる高低の表面エネルギーのパターン54
が導入された薄い表面層又は表面処理により同様の効果
を奏する。例えば、ポリメチルメタクリル酸塩のような
比較的低い表面エネルギーのポリマー材料で膜が形成さ
れ、又は、覆われている場合には、比較的高い表面エネ
ルギーの局部領域を作る為に、膜表面に局部的に高酸素
プラズマ（oxygen−rich plasma）に当てることができ
る。
比較的高い表面エネルギーの領域は、比較的低い表面
エネルギーの領域に比べ、高い表面張力の流体により容
易に接触され、それゆえ、局部的なピン状の流体メニス
カスを作り出す。
同様に、膜は、酸化金属（例えば、アルミニウム）の
薄膜基礎層の上に非酸化金属（例えば、金）を蒸着した
パターン、又は、非酸化金属の薄膜基礎層の上に酸化金
属を蒸着したパターンから製造することができる。我々
は、これらがピン状の流体の局部的なメニスカスをも作
り出すことを見い出した。
さらに、我々は、異なる微細な凹凸を有する局部領域
が設けられた表面が同一の効果をもたらすことを見い出
す。
図６及び７に示すような孔のない形状の場合は、流体
の供給は膜の前面にのみなされる。
アクチュエータの台 アクチュエータの台は、噴霧膜の屈曲振動運動の為に
は不必要である。台が設けられる場合には、その台がア
クチュエータの屈曲運動を大きく制限しないことが望ま
しい。これは、多くの方法により実現可能である。
補助的な供給手段がヘッドに大きな力を及ぼさない場
合には（例えば、必要により流体の雫を多孔膜の後面へ
供給する場合）噴霧ヘッドは、単純にそれを囲む台によ
り保持される。但し、台は膜を固定しない。一つの例
が、図８に示されている。上述した微細なエーロゾルの
発生に好適な実施例においては、アクチュエータ７は円
形であり、外形20mm、外部の厚さ0.2mmである。図８を
参照すると、このアクチュエータについての適当な保持
台77が、中心の円形穴の直径が18mmであり、直径22mm、
幅1mmの環状の溝を有する材料からなる円柱環帯を、ア
センブリの上に組み立てて製造される。
補助的な供給手段がヘッドに大きな力を及ぼす場合に
は（例えば、多孔網目、及び／又は、アクチュエータ層
の後面を圧迫する毛管の芯）、台は（その台から供給手
段を支持する部材への機械的結合と共に）、接触を維持
するために逆の反作用力を生じさせなければならない。
これをヘッドの屈曲振動運動を大きく制限せずに実現す
る方法は、２以上の点又は線状の固定部78を利用する節
点台設計（図９に例示される）を含む。図は、断面図の
上に付加されて、振動モードをも示す。他の方法は、図
10に例示されるように、載置ブロック80内に保持され
た、コンプライアンスを有する材料からなるリング79
（例えば、両面に薄く粘着材が塗布された、約1mmの厚
さのクローズドセル高分子発泡層）の台を使用する方法
である。（商業的に入手できる多くの自己粘着発泡帯板
が適当である）。さらに他の方法は、アクチュエータが
端部のみで固定されるような端部台81を使用することで
ある（図11に例示）。
電気音響アクチュエータ 流体の噴霧を可能にするために、適当な周波数で、か
つ、適当な振幅で噴霧膜のアクチュエータの振動を励起
することが要求される。上述され、また、図12に詳細が
示される屈曲モード噴霧器は、単純な機械的形状で補助
の機械的部材を必要とせず、また、低コストでこれを満
足することがわかっている。屈曲運動をさせるために、
アクチュエータは少なくとも１つの、電気ひずみ性また
は磁気ひずみ性の材料からなる層170を有するべきであ
る。この層（又は、複数の層）は、能動層と呼ばれる。
（単数形から複数は推測されるべきである。）能動層の
伸張または伸縮運動（印加された電界又は磁界に応じ
た）は、２以上の点においてそれと結合され、それゆえ
複合層構造となる少なくとも１つの他の材料層171によ
り機械的に制限される。その制限は、制限がなされる
と、能動層の残りの伸張又は収縮は、複合層構造の機械
的中立軸の周りに非対称に配置される。
第２の材料層171は（これも単数形から複数は推測さ
れるべきである）、伸張又は収縮運動が第１の能動層の
位相と異なる位相で生じる第２の能動層であってもよ
い。これに代えて、第２の層171は、印加された電界又
は磁界により電気ひずみ又は磁気ひずみ運動が生じない
材料からなる受動層であってもよい。いずれの場合にお
いても、第２の層は反作用層と呼ばれる。
過去のいくつかの設計同様に、もし反作用層の機械的
剛性が能動層のそれに比べとても小さいなら、能動層の
運動は反作用層にあまり影響されない。能動層に他の機
械的制限が与えられなければ、伸張又は収縮はほぼ平坦
に保たれ、大きな屈曲を生じることはない。もし反作用
層の剛性が能動層のそれに比べてとても大きければ、能
動層の運動はほぼ完全に反作用層により抑制され、これ
またほとんど屈曲は生じない。
それゆえ、屈曲運動を最大にするには、反作用層の厚
さと弾性係数が能動層のそれに近い機械的剛性を与える
ことが望ましい。
図12に横断面で示される、２つの層が理想的な粘着層
により相互に接着されている２層構造においては、以下
の関係がほぼ成り立つ時に効果的な屈曲運動が生じる： Yh2＝αＹ′ｈ′２ ここで、Ｙ ＝能動層の弾性係数、 Ｙ′＝反作用層の弾性係数、 ｈ ＝能動層の厚さ、 ｈ′＝反作用層の厚さ、 α ＝無次元の定数。
この明細書における機械的剛性の語は、Yh2、Yh′２
を示す。機械的剛性は通常、層の厚さの３乗に比例する
成分として測定されるが、この場合においては、層の１
つが能動的だからである。
もし反作用層が受動的な材料からなる層なら、αは１
〜10の範囲に存在する。我々は、３と４の間のαの値
が、特に効果的であることを見い出した。
もし反作用層が能動的で、第１の能動層と同程度の運
動、但し逆相の運動、を生じるなら、0.3から10の範囲
のαの値が効果的であり、特に0.3から３の範囲のα値
が特に効果的であることがわかっている。一つの特定の
例は、同様の材料構造及び厚さで、同様の交番する電気
的ポテンシャルの印加により励起される２つのピエゾ電
気層である。但し、２つの層内における電気的極性に関
するそのポテンシャルの信号は、２層間で180度位相が
シフトしている。
電気ひずみ又は磁気ひずみを生じる材料層は、異質の
電気ひずみ又は磁気ひずみ特性から製造されうる。特
に、電界又は磁界に対する材料の強度は材料の厚さによ
り変化する。そのような異質の層は上述の複合層構造と
機能的に同一であり、物理的には単一層からなるが、複
合層構造の一種類と理解される。
効果的に屈曲を生じさせる為には、複合層構造の厚さ
はその平面寸法に比べて小さくすべきである。図２又は
図18の平面図に見られるように、複合層構造は好ましく
はその外周にオリフィス73（又は複数のオリフィス）を
有する。そのオリフィスを渡るように噴霧膜５（又は複
数の噴霧膜）が延び、そのオリフィスに噴霧孔が機械的
に結合している。多孔膜を複合層構造の外周部分のみに
設けることは一般的には不十分である。
複合層構造内の外周とあらゆる内部オリフィスは比較
的制限を受けない。例えば、それらは広い範囲のアスペ
クト比（短辺の長さ：長辺の長さ）の長方形、又は、円
形であってもよい。我々は、多くの応用について、中心
に配置された円形オリフィスを渡るように多孔膜が延び
ている複合層構造の円形環状形状が高度に満足できるも
のであることを見い出した。
駆動電子系 ピエゾ電気アクチュエータとそれを制御する為に要す
る電子回路は以下の利点を有する： アクチュエータが選択可能な高次の共振屈曲モードで
自動発振すること、 正確な自動駆動周波数制御に基づいて、所定の駆動電
圧レベルに対する噴霧された流体の噴射速度が最大に近
いこと、 噴霧器の部品及びアセンブリの製造誤差に対する感度
が低いこと、 供給される電力の効率的使用、バッテリーから操作で
きること、 回路製造コストが低いこと。
基礎的な屈曲モードにおけるピエゾ電気ブザー要素の
自己共振発振は、良く知られている。通常、検知電極7
6、276（図２、及び図13参照）が、電子駆動回路に、ブ
ザー要素が基礎的モードで発振している時に最大値をと
る電気的フィードバック信号を供給する為に使用され
る。
本発明においては、このように自己共振発振を設ける
ことが、噴霧に十分であるとされる特定の高次屈曲モー
ドの発振を励起することにまで及ぶ。これは、基礎的モ
ードにおいて検出される典型的なブザー要素検知電極か
らの強いフィードバックと、高次のモードで検出される
典型的により弱いフィードバックとの区別を必要とす
る。
この例においては、所望の高次モードの選択的区別
は、３つのステップにより実現される。第１に、電子駆
動回路は、所望の機械的屈曲共振周波数付近の限られた
周波数範囲においてのみ、ピエゾ電気アクチュエータの
キャパシタンスに効率的に共振するよう適合される。第
２に、電子発振器の共振励起に必要な電気的フィードバ
ック条件を生じさせる位相マッチング回路が設けられ
る。第３に、検知電極の形状が、選択されるべき屈曲共
振モードの形に適合される。（例えば、ピエゾ環帯の内
径と外径は２つの隣接する節に存在するように選択する
ことができる。この代わりに、電極の幅は、屈曲要素の
半径方向断面の瞬時曲率が正である部分においては比較
的広く、瞬時曲率が負である部分においては比較的狭く
し、これにより相殺を最小にすることができる。）これ
らのステップは、その組合せにより、希望の高次屈曲モ
ードにおいて噴霧器のピエゾ電気アクチュエータの効率
的な自己共振振動を可能にする。これは順々に、ピエゾ
電気アクチュエータの製造における誤差に対し、周囲の
温度変化に対し、また、噴霧器の表面に流体を載せる効
果に対し、噴霧器の感度を比較的低くすることを可能に
し、安定的な霧化動作をもたらす。それはさらに、電気
エネルギーの効率的な使用と、単純で低コストの電気駆
動回路を可能にする。
電子駆動システムについて詳しく説明する。
図13は電子システムのブロック図を示す。噴霧器アク
チュエータは270として、メイン上部電極275、付属上部
検知電極276、及び、対向する下部電極282が接地されて
いる基板と共に示されている。図14は、アクチュエータ
270の電気的等価回路を示し、Ceはメイン電極と基盤下
部電極との間の静電キャパシタンスを示す。アクチュエ
ータ装置270は、その寸法とピエゾ電気特性に起因し
て、いくつかの機械的共振周波数を示す。これらは、電
気的に、Ceに並列に設けられたＲ、Ｌ、Ｃの直列回路に
より表わすことができる。Rm、Lm、Cmは一つの特定の共
振を示す。噴霧された流体の供給は、ある共振周波数に
おいてのみ行われる。回路の役割は、最適な供給をもた
らす一つの特定の共振を選択することにある（この場合
には、Lm、Cmの共振）。検知電極276は図14には示され
ていない。それはアクチュエータの運動を示す電圧出力
信号をもたらす。
例としてのみ示される図13の回路は、移相発振器−即
ち、ループゲインが１より大で、特定の周波数で位相が
360度シフトする−回路はその周波数で発振する。ルー
プは、アクチュエータ自身を含んでいる。アクチュエー
タの伝達関数、（メイン電極275の電圧）対（検知電極2
76の電圧）、は回路の発振に重要な影響を持つ。アクチ
ュエータの電圧ゲインは、機械的共振において極大にな
り、それゆえ発振回路はそれらの共振周波数のいずれか
一つの共振周波数で発振しうる。そのようにして、いく
つかの他の影響は一の希望の共振における発振を促すよ
う向けられなければならない。
これは、誘導要素（図13のL1）をアクチュエータ270
に並列に加えることにより実現される。L1の値は、理想
的には、アクチュエータが駆動されるべき周波数fr（即
ち、希望の機械的共振モード）がCeとL1の電気的共振周
波数となるように設定される。
周波数frにおいて、Ceと合わせたL1のインピーダンス
は無限大に近づき、全ての電力が直接Rm、Lm、Cmに加え
られるようにする。アクチュエータに並列なL1の存在
は、周波数frでアクチュエータのゲイン（メイン電極、
運動、検知電極からの信号への電力）を強制的に最大に
させる。換言すれば、frでのゲインの極大は強調され、
他の全ては減衰される。これは、frに近い領域の周波数
での回路の発振を誘導する。
図13に言及すると、希望の周波数（これは発振周波数
の影響に適合する周波数応答を含んでよい）でゲインを
生じる反転増幅器300と、駆動周波数でオン／オフし、
アクチュエータ270/インダクタンスL1をdc電源と接続／
分離する反転切換要素301とが示されている。
希望の共振付近で、アクチュエータ270はメイン電極2
75への電圧と検知電極276（接地された金属基板に対す
る）からの電圧の間での位相の急速な変化をも示す。回
路は、アンプ300に直接的に接続された検知電極276と共
に発振器として動作することも可能であり、その場合27
5から276への位相シフトは０度である（アンプ300と切
換要素301により360度）。しかし、拡散効率は、共振領
域fr内で変化し、最適な拡散は276から276への位相シフ
トが45度又は135度の時（即ち、検知電極276が進んでい
る）に起きることがわかっている。それゆえ、選択され
た共振においてのみならず最適な拡散条件においても動
作を強制するため、対応する逆シフト（遅れ）を有する
位相シフトネットワーク303が図示のように挿入され
る。
要約すると、検知電極を用い、ループ内にアクチュエ
ータを有する発振回路を使用することは、自動同調によ
る正確な拡散制御を可能とする。検知電極の応答は、多
くの共振点のいずれにおいて回路発振をさせる。アクチ
ュエータに平行な誘導要素の使用は、希望の共振を選択
し、また、おそらく最も重要なことに、アクチュエータ
検知電極と位相シフトネットワークの結合は最適な拡散
のための共振における正確な同調をもたらす。
曲型的な、低コストを満足するアクチュエータ270
（図15）が、位相シフト回路（R1及びC1）、反転トラン
ジスタアンプ（R2からR6、C2及びQ1）と共に示されてい
る。R2、R3、R4はバイアス点を作り、R5、R6はdcゲイン
／バイアスを与え、動作周波数で高ゲインを与えるため
にR6をパスするC2が設けられている。Q2（ダーリントン
トランジスタ又はMOSFET）は、電流を制限するR7と共に
Ｃ級切換動作を行う。誘導要素は、T1のトランスにより
与えられる。図13のL1に対応するインダクタンスは、T1
の２次巻きにより与えられ、電圧ゲインはT1の巻数比に
より与えられる。このようにして共振周波数の選択は電
圧増幅と結合され、メイン電圧に係る電圧は何回もdc電
源から得られる電圧となり得る。DCパワーはバッテリー
B1により得られ、スイッチS1は拡散のオン／オフ切り換
えに使われる。
図16−18は、希望の高次屈曲モードの励起を優遇する
特定の検知電極の形状を示す。
図16には本発明に係る屈曲モードアクチュエータ370
の横正面が、電極領域375及び376とともに示されてい
る。電極375は図13の要素275に対応する駆動電極であ
る。
電極376は、図13の要素276に対応する検知電極であ
る。基板材料374とピエゾ電気材料373は図４と同様であ
る。
図17には、図16に示すアクチュエータの希望の高次屈
曲モードを図式的に示す。
図18には、図16のアクチュエータを、電極375及び376
を含め、平面図により図式的に示す。電極375は、検知
電極376によってのみ途切れた単純な環状電極として示
されている。電極375は、有益には、希望のモードの振
動モード形状に応じて、複数の電極にさらに分割され得
る。電極376は、その（それが延びているアクチュエー
タの）半径方向に比較的広い領域376′と比較的狭い領
域376″を有して示されている。広い領域では曲率は単
一符号であり、狭い領域では曲率は異符号である。この
ように、希望の共振周波数においては、検知電極フィー
ドバック信号は大きな振幅を有する。他の（希望のもの
ではない）共振周波数においては、電極376はモードの
形状にあまりよく適合せず、相対的にフィードバックを
幾分減衰させる。
駆動電子系は、自己同調を行うため、アクチュエータ
の電気的インピーダンスを検知する手段を含んでもよ
い。
図19は、高電圧源470で駆動電子回路を接地電位から
高電圧レベルに上げることにより、小水滴に静電充電が
どのようになされるかを示す。これにより、駆動電子系
480の制御下で噴射されたときに、小水滴10が高ポテン
シャルになる。これは、身体の世話用の流体製品に使用
されるエーロゾルスプレーで、皮膚に当てる必要がある
が肺に吸入してはならず、小水滴を充満させてユーザの
皮膚に引きつけるものには特に有用である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９２０９１１３．１ (32)優先日 1992年４月28日 (33)優先権主張国 イギリス（ＧＢ） (72)発明者 ニューコンブ，カイ，チャールズ，ファ ーンレイ イギリス国，シービー１ ２ピーディー ケンブリッジ，アインスワース スト リート 94 (72)発明者 セイント，アンドリュー，ジョナサン イギリス国，シービー１ ３エスエック ス ケンブリッジ，チャルマーズ ロー ド 54 (72)発明者 パルメール，マシュー，リチャード イギリス国，シービー４ ４エスビー ケンブリッジ，コッテンハム，メルーズ クローズ 13 (56)参考文献 特開 平４−371257（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−150968（ＪＰ，Ａ)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】膜（５）と、 屈曲モードで屈曲運動を行うアクチュエータであって、
    ほぼアクチュエータの屈曲方向に前記膜を振動させる複
    合薄肉構造を有している膜振動用のアクチュエータ
    （７）と、 流体を前記膜の表面に直接供給する手段（３）とを備
    え、流体が該手段から前記膜の振動により噴霧され、 前記複合薄肉構造は、伸縮運動を行う第１の層と、前記
    第１の層に機械的に結合された第２の層とを備え、前記
    第１の層の伸縮運動が前記アクチュエータの屈曲モード
    における屈曲運動を生じさせることを特徴とする流体の
    小水滴製造装置。
  2. 【請求項２】前記膜（50）を多孔質とすることを特徴と
    する請求項１記載の流体の小水的製造装置。
  3. 【請求項３】前記膜が組織化された表面（51）を有する
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の流体の小水滴製
    造装置。
  4. 【請求項４】前記アクチュエータが電気ひずみ（例え
    ば、ピエゾ電気）又は磁気ひずみ部材（70）を有してい
    ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記
    載の流体の小水滴製造装置。
  5. 【請求項５】前記部材が第１層（71）を有し、且つ前記
    アクチュエータがさらに前記部材に機械的に装着された
    少なくとも一つの他の層（72）を有することを特徴とす
    る請求項４記載の流体の小水滴製造装置。
  6. 【請求項６】さらに、電界又は磁界を印可させることに
    よって前記部材の平面寸法の長さを変化させるように配
    置された電極（275、282）を有し、これにより他の層と
    の機械的反作用が前記アクチュエータを屈曲させること
    を特徴とする請求項５記載の流体の小水滴製造装置。
  7. 【請求項７】前記部材と他の層との機械的剛性が実質的
    に同一であることを特徴とする請求項６記載の流体の小
    水滴製造装置。
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