JPH064154B2 - Ultrasonic resonator - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は共振装置と超音波変換器に関するものであり、
さらに具体的にいえば超音波領域の周波数を有する周期
的振動を効率的に発生する変換器に関するものである。The present invention relates to a resonance device and an ultrasonic transducer,
More specifically, it relates to a transducer that efficiently generates periodic vibrations having a frequency in the ultrasonic range.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

最小の回転ファンよりずっと小さく、電子機器を冷却す
るのに用いられる圧電羽根送風機が知られている。これ
らの送風機は、非常に効率的で、寿命が長く、雑音また
は磁気的妨害を殆ど発生せず、寸法が約5.０８cm(2in)
×2.５４cm(1in)×1.９０cm(3/4in)である。しかし、そ
れらはまた欠点をもっている。それらは、印刷回路板に
直接取付けるほど十分に小さくなく、回路板内に電気的
雑音を生じ、さらに回路板で１１５ボルトの電源が利用
できるようにされることを必要としている。音響流れに
よって空気を直接ポンプするのに圧電結晶を用いる試み
もまた、生産物の形で得ることが難しく、かつ高価であ
る大きな結晶を必要とするのであまりうまくいかなかっ
た。音響流れは、振動している表面によって加速される
空気が、表面を逆にしても、慣性と圧縮性のためにその
方向を逆にしないという事実から生ずるとともに、さら
に高い振幅では、乱流と渦が生成することによってさら
に複雑になる。Piezoelectric blade blowers are known that are much smaller than the smallest rotating fans and are used to cool electronics. These blowers are very efficient, have a long life, generate little noise or magnetic interference, and measure about 5.08 cm (2 in)
It is 2.54 cm (1 in) x 1.90 cm (3/4 in). But they also have drawbacks. They are not small enough to mount directly to a printed circuit board, create electrical noise in the board, and require that a 115 volt power supply be available at the board. Attempts to use piezoelectric crystals to directly pump air by acoustic streaming have also been less successful because they require large crystals that are difficult to obtain in product form and expensive. Acoustic flow results from the fact that air accelerated by an oscillating surface does not reverse its direction due to inertia and compressibility, even at the opposite surface, and at higher amplitudes, turbulence. It is further complicated by the generation of vortices.

水のような流体を蒸発させるために超音波エネルギーを
用いることは、当該技術において公知である。例えば、
家庭用加湿器は、水を水蒸気に変えるのに超音波周波数
で駆動される変換器を用い、水蒸気は、温度を大きくす
るためにファンによって室内に吹込まれる。超音波エネ
ルギーを芯要素に加えることによって、種々の香料など
の液体を霧化させるのに超音波エネルギーを用いること
も公知であり、芯要素はタンクから芯部材に加えられた
超音波振動を発生する超音波変換器に適当に少量の液体
を送出するようになっている。しかし、従来の超音波変
換器によって容易に霧化させられるほど十分に揮発性で
ない液体を蒸発させる改良された噴霧器が必要とされて
いる。なお、９ボルトの電池のような低い電圧源を用い
種々の香料などの液体を霧化する非常に効率的な噴霧装
置を作ることも望ましい。The use of ultrasonic energy to vaporize fluids such as water is known in the art. For example,
Home humidifiers use transducers driven at ultrasonic frequencies to convert water into steam, which is blown into the room by a fan to increase the temperature. It is also known to use ultrasonic energy to atomize liquids such as various fragrances by applying ultrasonic energy to the core element, which produces ultrasonic vibrations applied to the core member from the tank. A suitable small amount of liquid is delivered to the ultrasonic transducer. However, there is a need for improved atomizers that vaporize liquids that are not volatile enough to be easily atomized by conventional ultrasonic transducers. It is also desirable to make a very efficient atomizer that atomizes liquids such as various fragrances using a low voltage source such as a 9 volt battery.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

従って本発明の目的は、改良された超音波共振部材を提
供することである。Accordingly, it is an object of the present invention to provide an improved ultrasonic resonant member.

本発明の目的はまた改良された小形で、非常に効率的で
高速度の音響ポンプを提供することである。It is also an object of the present invention to provide an improved compact, highly efficient and high speed acoustic pump.

本発明のこのほかの目的は、印刷回路板に直接取付けで
き、かつ寸法が、冷却の対象の構成要素に匹敵するよう
なポンプを提供することである。Another object of the invention is to provide a pump which can be mounted directly on a printed circuit board and whose dimensions are comparable to the components to be cooled.

本発明のほかの目的は、低電圧で動作する上述のような
ポンプを提供することである。Another object of the invention is to provide a pump as described above which operates at low voltage.

本発明のそのほかの目的は、超音波範囲において事実上
聞えないように振動なしに動作する上記のようなポンプ
を提供することである。Another object of the present invention is to provide a pump as described above which operates without vibration in the ultrasonic range so that it is virtually inaudible.

本発明のこのほかの目的は、非常に高い空気流れを発生
する上記のようなポンプを提供することである。Another object of the invention is to provide a pump as described above which produces a very high air flow.

本発明のこのほかの目的は、事実上無制限の使用寿命を
有し、磁気的妨害を受けず、熱発生がなく、高い起動電
流を引出さない上記のようなポンプを提供することであ
る。Another object of the invention is to provide a pump as described above which has a virtually unlimited service life, is free from magnetic interference, does not generate heat and does not draw high starting currents.

本発明のこのほかの目的は、印刷回路板に取付け可能で
印刷回路板と平行にポンプする上記のようなポンプを提
供することである。Another object of the present invention is to provide a pump as described above which is mountable on a printed circuit board and which pumps parallel to the printed circuit board.

本発明のこのほかの目的は、音響流れを利用できる上記
のようなポンプを提供することである。Another object of the invention is to provide a pump as described above, which can utilize acoustic streaming.

本発明のなおこのほかの目的は、従来の超音波変換器に
よって高効率に容易に気化されるのに十分に揮発性でな
い液体香料を霧化するのに特に適当でかつ９ボルト電池
のような低電圧で安い電源を用いる噴霧器を提供するこ
とである。Yet another object of the present invention is particularly suitable for atomizing liquid perfume that is not sufficiently volatile to be easily vaporized with high efficiency by conventional ultrasonic transducers, such as 9 volt batteries. It is an object of the invention to provide a sprayer which uses a low voltage and a cheap power supply.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

内部での減衰が小さく、薄い縁に向かって先細になって
おり、その薄い縁がその縁に交わる開いた節線模様で共
振する共振部材を用いることによって、真に有効で小さ
く、高速度で高い音量の共振装置を作ることができるこ
とを実現することに基づいている。By using a resonant member with low internal damping, tapering towards a thin edge and resonating in an open nodal pattern where the thin edge intersects the edge, it is truly effective, small, and at high speed. It is based on the realization that it is possible to make high-volume resonators.

本発明は、一つの実施例において内部での減衰が小さ
く、かつ非対称に先細になって先が薄い縁になっている
共振部材を備えた音響空気ポンプを特徴としている。圧
電駆動装置が共振部材に取付けられ、脈動電圧を圧電駆
動装置に共振部材の共振範囲において加えて共振部材を
振動させ、流体を薄い縁から振り離す手段が設けられて
いる。The present invention, in one embodiment, features an acoustic air pump with a resonant member that has low internal damping and is asymmetrically tapered to have a thin-edged edge. A piezoelectric drive is attached to the resonant member and means are provided for applying a pulsating voltage to the piezoelectric drive in the resonant range of the resonant member to cause the resonant member to vibrate and force fluid away from the thin edge.

もう一つの実施例によれば、本発明は、液体を効率の高
いやり方で蒸気に変換する噴霧器を特徴としている。液
体は、共振部材の薄い縁に隣接した共振部材の一部分に
液体の霧を発生させる流量で送られる。電池で作動する
電圧駆動回路が±約９ボルトの電圧パルスを有するパル
ス列を発生し、そのパルス列は、共振部材に付けられ、
かつ共振部材より十分に小さな質量を有する薄い圧電素
子に加えられて、圧電素子が低い電圧で動作できるよう
にしている。パルス列は２０kHzと８０kHzの間の周波数
で掃引共振部材の機械的負荷の変動にかかわらず共振部
材をその共振周波数で駆動することを確実にすることが
好ましい。According to another embodiment, the present invention features an atomizer that converts liquid into vapor in an efficient manner. The liquid is delivered at a flow rate that produces a mist of liquid on the portion of the resonant member adjacent the thin edge of the resonant member. A battery operated voltage drive circuit produces a pulse train having voltage pulses of about ± 9 volts, the pulse train being applied to the resonant member,
In addition, it is added to a thin piezoelectric element having a mass sufficiently smaller than that of the resonant member to enable the piezoelectric element to operate at a low voltage. The pulse train preferably ensures that the resonant member is driven at its resonant frequency despite variations in the mechanical load of the swept resonant member at frequencies between 20 kHz and 80 kHz.

音響送風機ポンプ及び気化器の両方の好ましい実施例に
おいて、薄い圧電駆動素子によって駆動される共振部材
は、３００より大きいＱをもっており、焼戻しアルミニ
ウム合金、炭素鋼、ガラスまたはセラミックのいずれか
であるのが好ましい。好ましい材料は、１０００もの高
いＱを有してもよく、また少なくとも２×１０⁹dyn-cm/
gという高いこわさ対密度比をもっている。In the preferred embodiment of both the acoustic blower pump and the vaporizer, the resonant member driven by the thin piezoelectric drive element has a Q greater than 300 and is either a tempered aluminum alloy, carbon steel, glass or ceramic. preferable. Preferred materials may have a Q as high as 1000 and are at least 2 × 10 ⁹ dyn-cm /
It has a high stiffness-to-density ratio of g.

好ましい実施例において、圧電駆動装置は駆動部材に取
付けられて駆動部材に薄い縁と交差する節線模様で振動
させる。節線は、開いた節線模様であってもよいし、ほ
ぼ円形であってもよく、薄い縁との交差点近くで、二つ
の変曲点をもっていてもよい。駆動素子を薄い縁から離
れて取付け、穴あき板を変曲点の上方で共振部材に取付
けてもよい。穴あき板は、また先細表面の下に取付けて
もよく、平面であるかまたは逆Ｖ形溝のような他の形状
のものであってもよい。In a preferred embodiment, the piezoelectric drive is attached to the drive member and causes the drive member to vibrate in a nodal pattern intersecting the thin edges. The nodal line may be an open nodal line pattern, may be substantially circular, and may have two inflection points near the intersection with the thin edge. The drive element may be mounted off the thin edge and the perforated plate may be mounted on the resonant member above the inflection point. The perforated plate may also be mounted below the tapered surface and may be flat or of other shapes such as an inverted V-shaped groove.

穴あき板を先細表面の上方に間隔をあけて配置すること
もできる。この穴あき板は、前記表面から離れる方向に
働く音響圧力と前記先細表面の方に向って働く反動圧力
との間の動的平衡の位置に置かれる。この穴あき板を先
細表面の上方にゆるく取付けて、その板が先細表面から
離れる方向に働く音響圧力と先細表面の方に向って働く
反動圧力との間の動的平衡の位置を求めることができる
ようにしてもよい。Perforated plates can also be spaced above the tapered surface. The perforated plate is placed in a position of dynamic equilibrium between the acoustic pressure acting away from the surface and the reaction pressure acting towards the tapered surface. This perforated plate can be loosely mounted above the tapered surface to determine the position of the dynamic equilibrium between the acoustic pressure acting in the direction away from the tapered surface and the reaction pressure acting towards the tapered surface. You may allow it.

共振部材は、非対称に先細になって二つの薄い縁になっ
ていてもよく、それは先細部分が伸び出しているほぼ平
面の断面を備えていてもよい。圧電駆動装置は共振部材
の底、上面または側面に取付けることができる。パルス
列を加える前記手段は圧電駆動装置の反対側に一つの電
極を備えていてもよい。穴あき板は金属で作ることがで
き、１cm²当り約４２個の穴を含んでいてもよく、これ
らの穴は直径が約0.０１８ないし0.０２５cmであっても
よい。これらの穴は、先細表面から離れるように収れん
するほぼ円錐形の壁で形成してもよい。The resonant member may be asymmetrically tapered into two thin edges, which may have a generally planar cross section with the tapered portions extending out. The piezoelectric drive can be mounted on the bottom, top or side of the resonant member. The means for applying the pulse train may comprise one electrode on the opposite side of the piezoelectric drive. The perforated plate may be made of metal and may contain about 42 holes per cm ² and these holes may have a diameter of about 0.018 to 0.025 cm. These holes may be formed by a generally conical wall that converges away from the tapered surface.

〔実施例〕〔Example〕

他の目的、特徴及び利点は好ましい実施例の以下の説明
及び添付図面からわかるであろう。Other objects, features and advantages will be apparent from the following description of the preferred embodiments and the accompanying drawings.

第１図にはだんだん薄くなって薄い縁１６になっている
非対称に先細のセクション１４をもった共振部材１２を
有する超音波送風機の形をした音響ポンプ１０が示され
ている。共振部材１２はまた、ほぼ平面のセクション１
８（第２図）を備えている。圧電駆動子２０が薄い縁１
６から離れたところに共振部材に取付けられているが、
それは薄い縁の近くで作動する。第１図に示したように
圧電駆動子を底に取付けてもよいし、または側面２０ａ
の一方に、もしくは上面２０ａａに第１図の仮想線で示
したように取付けてもよい。電極22が圧電駆動子２０の
外表面に設けられて、十分に導電性であれば、共振部材
は、振動電流を圧電駆動子２０に交流電流源２４によっ
て加える他方の電極として作用できる。振動電流を加え
ると、先細表面２６は、振動して、圧縮波面２８によっ
て例示されているように空気を薄い縁１６から離す方向
へ振動させる音響流れ効果を生ずる。共振部材１２の全
体の大きさは約2.７３０cm(1.075in)巾、3.２３８cm(1.
275in)長さ及び0.６３５cm(0.25in)厚さまたは高さであ
ってもよい。FIG. 1 shows an acoustic pump 10 in the form of an ultrasonic blower having a resonant member 12 with an asymmetrically tapered section 14 that gradually becomes thinner and has a thinner edge 16. The resonant member 12 also has a substantially planar section 1
8 (FIG. 2). Piezoelectric driver 20 has thin edge 1
Although it is attached to the resonance member at a place away from 6,
It works near the thin rim. The piezo driver may be attached to the bottom as shown in FIG. 1 or side 20a.
It may be attached to one side or to the upper surface 20aa as shown by the phantom line in FIG. If the electrode 22 is provided on the outer surface of the piezoelectric driver 20 and is sufficiently conductive, the resonant member can act as the other electrode that applies an oscillating current to the piezoelectric driver 20 by the alternating current source 24. Upon application of an oscillating current, the tapered surface 26 oscillates, creating an acoustic flow effect that causes air to oscillate away from the thin edge 16 as illustrated by the compression wavefront 28. The entire size of the resonance member 12 is about 2.730 cm (1.075 in) wide and 3.238 cm (1.
275 in) length and 0.635 cm (0.25 in) thickness or height.

圧電駆動子２０は、ピエゾエレクトリックブロダクツ社
によって販売されているＰＴＳ−1512圧電セラミックま
たは等価品で、約2.４８９cm(0.98in)の直径で0.０２５
４cm(0.01in)の厚さのもので作ることができる。圧電駆
動子は、両側面にニッケルメッキをして、片方の側面に
電極２２とアルミニウム共振部材１２へロックタイトの
４０４型セメントまたは等価品を用いて取付けるための
結合表面を形成してもよい。Piezoelectric driver 20 is a PTS-1512 piezoelectric ceramic sold by Piezo Electric Products or equivalent, and has a diameter of about 2.489 cm (0.98 in) and 0.025.
It can be made with a thickness of 4 cm (0.01 in). The piezo driver may be nickel plated on both sides to form a bonding surface on one side for attachment to the electrode 22 and aluminum resonant member 12 using Loctite 404 type cement or equivalent.

第３図の穴３４をもった穴あき板３０である増幅膜を、
それが先細表面２６の上に最適高さで浮動するように増
幅膜をたわみヒンジ３２で共振部材１２へ取付けること
によって適用できる。この高さは、穴あき板３０がゆる
く所定の場所に保持されているとき、それが先細表面２
６から離れる方へ働く音響圧力と先細表面２６に向って
働く反動圧力との間の動的平衡の位置に達するまで穴あ
き板が振動先細表面２６の上方に自動的に浮揚するよう
に自動調整式になっている。増幅膜は、先細表面の上方
に示されて、ほぼ平面形のものになっているが、これ
は、本発明の必要な限定ではない。例えば、増幅膜を先
細表面の底から間隔を離して取付けてもよいし、空気の
動く方向に向けて穴３４′をもった逆Ｖ形の溝３０′の
形をとってもよい。フランジ３５は、先細表面２６′に
固着されてもよいが、他の構成におけるように穴３４′
をもった穴あき部分が先細表面の上方に間隔をあけて配
置されていてもよい。増幅膜の効果は、完全には詳細に
理解されていないが、増幅膜の浮揚は、説明したように
噴射される空気による下向き圧力が増幅膜の下に連行さ
れる空気の流れによる上向き圧力と丁度釣合を保つ高さ
で起ると思われる。穴あき板３０は、0.０１７７〜0.０
２５４cm(0.007〜0.01in)の直径を有する１cm²当り約４
２の穴で十分に作動することがわかっている。穴は、厚
さ0.００５cm(0.002in)長さ2.７３cm(1.075in)、巾1.６
５cm(0.65in)の真中板を打抜いて構成した。第４図の打
抜いた穴３４ａが先細表面２６から離れる方向に収束
し、ぎざぎざの縁38に終る円錐形突起３６を有すると
き、良好な結果が見出された。第１図の音響ポンプ１０
は、良好な性能を与えるが、その結果は、穴あき板３０
がそれと組合せて用いられるときさらにすばらしい。The amplification film, which is the perforated plate 30 having the holes 34 shown in FIG.
It can be applied by attaching the amplifying membrane to the resonant member 12 with a flexible hinge 32 so that it floats above the tapered surface 26 at an optimum height. This height is such that when the perforated plate 30 is held loosely in place, it has a tapered surface 2
6 self-adjusting so that the perforated plate automatically levitates above the oscillating tapered surface 26 until the position of dynamic equilibrium between the acoustic pressure acting away from 6 and the reaction pressure acting towards the tapered surface 26 is reached. It is a formula. Although the amplification membrane is shown above the tapered surface and is substantially planar, this is not a necessary limitation of the invention. For example, the amplification membrane may be mounted at a distance from the bottom of the tapered surface, or it may take the form of an inverted V-shaped groove 30 'having a hole 34' in the direction of air movement. The flange 35 may be secured to the tapered surface 26 ', but as in other configurations the hole 34'.
Perforated portions may be spaced above the tapered surface. Although the effect of the amplifying membrane is not fully understood in detail, the levitation of the amplifying membrane is such that the downward pressure due to the injected air is the same as the upward pressure due to the flow of air entrained below the amplifying membrane as explained. It seems to occur at a height that is just in balance. The perforated plate 30 is 0.0177 to 0.0
Approximately 4 per cm ² with a diameter of 254 cm (0.007-0.01 in)
Two holes have been found to work well. The holes are 0.005 cm (0.002 in) thick, 2.73 cm (1.075 in) long, and 1.6 wide.
It was constructed by punching out a 5 cm (0.65 in) center plate. Good results have been found when the perforated hole 34a of FIG. 4 converges away from the tapered surface 26 and has a conical projection 36 ending in a jagged edge 38. The acoustic pump 10 of FIG.
Gives good performance, but the result is a perforated plate 30
Even better when is used in combination with it.

共振部材１２は、内部減衰が低い、すなわち、３００以
上の範囲の高い「Ｑ」を有する材料、例えば、焼戻しア
ルミニウムまたはマグネシウム合金、炭素鋼、ガラスま
たはセラミックなどで作られる。アルミニウム合金６０
６１−Ｔ６は、現在好ましい材料の一つである。また共
振材料は、材料の剛性率を材料の密度で割って得られる
少なくとも２×１０⁹dyn-cm/gのこわさ対密度の比を有
し、例えばアルミニウムの場合、この比は、剛性率0.７
×１０¹²dyn/cm²をアルミニウムの密度2.７g/cm³で割っ
て得られる。３４kHz方形波をもった第１の高調波で駆
動されるアルミニウム合金２０２４Ｔ−５６１共振部材
と１２ボルトせん頭値の電源を用いて、送風機は1.３ワ
ットの電力を消費し、１４4.７８ｍ／min（４７５ft/mi
n）の平均速度と４２6.７２ｍ／min（１４００ft/min）
の最高速度で著しい温度上昇なく0.０５６６m³/min（２
ft³/min）の空気の流れを送出する。これらの条件のも
とで、穴あき板３０は、先細表面２６の上方0.００７６
５cm（0.００３in）の高さで浮揚する。浮揚高さが既知
のとき、第５図の板30aは、その点で適所に取付け台４
０、４２に示されているように板をしっかりつかむ適当
な取付台にクランプされることによって固定されてもよ
いし、または、板３０ａを穴あき板３０ａの縁をゆるく
しか囲まない取付大の中につかんで、板がその高さを第
３図のたわみヒンジ３２によって可能にされたと同じ方
法で自動調整できるようにすることができる。Resonant member 12 is made of a material with low internal damping, ie having a high "Q" in the range of 300 and above, such as tempered aluminum or magnesium alloys, carbon steel, glass or ceramics. Aluminum alloy 60
61-T6 is one of the presently preferred materials. Resonant materials also have a stiffness-to-density ratio of at least 2 × 10 ⁹ dyn-cm / g, which is obtained by dividing the rigidity of the material by the density of the material. .7
It is obtained by dividing × 10 ¹² dyn / cm ² by the density of aluminum, 2.7 g / cm ³ . Using an aluminum alloy 2024T-561 resonant member driven by the first harmonic with a 34kHz square wave and a 12 volt peak value power supply, the blower consumes 1.3 watts of power and 144.78m / min (475ft / mi
n) average speed and 426.72m / min (1400ft / min)
At maximum speed of 0.0566 m ³ / min (2
ft ³ / min) of air flow. Under these conditions, the perforated plate 30 is 0.006 above the tapered surface 26.
Levitate at a height of 5 cm (0.003 in). When the levitation height is known, the plate 30a shown in FIG.
0, 42 may be secured by clamping it to a suitable mount that grips the plate tightly, or the plate 30a may be a large mount that only loosely surrounds the edges of the perforated plate 30a. It can be grasped in and the plate can be self-adjusting in its height in the same manner as was enabled by the flexible hinge 32 of FIG.

本発明は形が大体円形で薄い縁１６において開いてお
り、縁１６の近くで変曲点５２、５４を含む第６図の節
線模様５０を用いるのが好ましい。穴あき板は、変曲点
の上に覆うように置かれるのが好ましい。この薄い縁
は、空気を音響流れ現象を介して動かす高い振幅のポン
ピング作用をもたらす開いた節線模様を作るために共振
部材１２の形状において必要がある。共振部材１２を印
刷回路板または他の環境構造に先細表面２６と１６から
遠い後側面６２に取付けた腕６０によって取付けること
ができるし、またはそれを節線模様５０の形に形成さ
れ、かつ節線模様の下に共振部材12の下側へ接着された
半円のゴム要素などの第７図にある節線模様支持体７０
を用いることによって取付けてもよい。The present invention preferably uses the nodal line pattern 50 of FIG. 6 which is generally circular in shape and open at the thin edge 16 and which includes inflection points 52, 54 near the edge 16. The perforated plate is preferably placed over the inflection point. This thin edge is needed in the shape of the resonant member 12 to create an open nodal pattern that provides a high amplitude pumping action that moves air through acoustic streaming phenomena. Resonant member 12 may be attached to a printed circuit board or other environmental structure by arms 60 attached to rear side 62 remote from tapered surfaces 26 and 16, or it may be formed in the form of a nodal pattern 50 and A nodal line support 70 in FIG. 7 such as a semi-circular rubber element adhered to the underside of the resonant member 12 under the line pattern.
May be attached by using.

共振部材１２は、第１図及び第２図に示した特定の形に
限られない。例えば、それは第９図の薄い縁１６ａに向
かって先細にされ、同じ形式の先細表面２６ａをもって
いるとき同じ形式の節線模様５０ａを与える第８図のほ
ぼ楕円形１２ａをもっていてもよい。第９図の楕円共振
部材１２ａは余分の大体平らなセクション１８をもって
いないで、先細部分１４ａだけを含んでいる。楕円形共
振部材１２ａは、長軸が3.４２９cm（1.３５in)で短軸
が3.１７５cm（1.２５in）の厚さが0.３１７５cm（0.１
２５in）のものであってもよい。The resonance member 12 is not limited to the particular shape shown in FIGS. 1 and 2. For example, it may have the generally elliptical shape 12a of FIG. 8 which is tapered towards the thin edge 16a of FIG. 9 to give the same type of nodal line pattern 50a when having the same type of tapered surface 26a. The elliptical resonant member 12a of FIG. 9 does not have an extra generally flat section 18 but includes only a tapered portion 14a. The elliptical resonance member 12a has a long axis of 3.429 cm (1.35 in) and a short axis of 3.175 cm (1.25 in) and a thickness of 0.3175 cm (0.15 in).
25 in).

共振部材は、単一の薄い縁と先細表面に限られず、例え
ば、第１０図に示すように共振部材12bは、薄い縁１６
ｂ及び１６ｂｂに終る二つの先細表面２６ｂ及び２６ｂ
ｂを有する平らなセクションまたは厚板１８ｂを備えて
いてもよく、これを同様の音響技術を用いて同様の音響
ポンピングに用いることができる。The resonant member is not limited to a single thin edge and tapered surface; for example, the resonant member 12b may have a thin edge 16 as shown in FIG.
two tapered surfaces 26b and 26b ending in b and 16bb
It may have a flat section or slab 18b with b, which can be used for similar acoustic pumping using similar acoustic techniques.

第１１図は、容器７３の中に入った液体７２が共振部材
１２によって気化される本発明の実施例を示している。
芯部材７４は、容器７３の中の液体を共振部材の下側部
分７６に上向きに加えられる毛細管作用によって送ら
せ、共振部材は、第12図に略図で示されている電子回路
によって駆動されるようになっている。芯部材７４の大
部分が共振部材の下側縁に波腹で接触している。前に述
べたように、ループ模様の５０の二つの振動節７７及び
７８は、図示されたように共振部材の下側縁に存在し、
それによって下側縁部分の外側部分76が最大振幅で共振
する。結果は芯部材７４によって供給される気化した液
体の広い分散を生じさせるゆらゆら動く蒸気８１の発生
であり、従ってこの装置は、液体噴霧器としてと同時に
送風機ファンを必要としないで香気を散布する送風機装
置として働く。FIG. 11 shows an embodiment of the present invention in which the liquid 72 contained in the container 73 is vaporized by the resonance member 12.
The core member 74 directs the liquid in the container 73 to the lower portion 76 of the resonating member by capillary action applied upwardly, which is driven by the electronic circuit shown diagrammatically in FIG. It is like this. Most of the core member 74 is in contact with the lower edge of the resonance member as an antinode. As mentioned previously, the two vibrating nodes 77 and 78 of the looped pattern 50 are present on the lower edge of the resonant member as shown,
This causes the outer portion 76 of the lower edge portion to resonate with maximum amplitude. The result is the production of fluctuating vapor 81 which causes a wide dispersion of the vaporized liquid supplied by the wick member 74, so that the device serves as a liquid atomizer and at the same time blower device for delivering aroma without the need for a fan fan. Work as.

第１２図においては、普通の９ボルト電池８１がスイッ
チ８２を介してのこぎり歯状掃引発振器８３に接続さ
れ、電圧制御発振器８４の出力周波数を掃引し、電圧制
御発振器は、相補出力固体駆動装置回路または１８０°
位相反転器２４に接続されている。相補出力駆動装置の
リード８６と８８は、前述の薄い圧電素子２０に電気的
に接続されて、圧電素子２０は、共振部材１２を駆動す
る。第１２図の電子駆動装置回路は２０kHz80kHzの間で
掃引される可変周波数パルス列を発生するために用いら
れているので、負荷状態の変ることによる共振部材１２
の共振周波数の変動があるにもかかわらず、共振部材を
掃引発振器８３の掃引周期の間のある時点でその正確な
共振周波数で駆動する。駆動装置回路２４は、リード86
と88へ電池電圧を２極式に交互に加える１８０°位相変
換回路であるので、正の＋９ボルトの負の−９ボルトの
パルスが交互に圧電素子２０に加えられて、各振動サイ
クルの間１８ボルトのピークピーク電圧スイングを発生
し、結果として圧電駆動素子２０は、第１の方向に曲げ
られ、そのあとで第２の方向に曲げられて共振部材１２
に誘導される往復運動を発生する。駆動装置としては、
ＩＣ＃4069B CMOS.Hex反転器を駆動装置として用いて30
ｍＡ実効値のパルス列を発生した。構成要素２４、８３
及び８４は、当業者に周知なので、その詳細は記載を簡
潔にするために説明しなかった。脈動直流もまた利用で
きた。In FIG. 12, an ordinary 9 volt battery 81 is connected via a switch 82 to a sawtooth sweep oscillator 83 to sweep the output frequency of a voltage controlled oscillator 84, the voltage controlled oscillator being a complementary output solid state driver circuit. Or 180 °
It is connected to the phase inverter 24. The leads 86 and 88 of the complementary output driving device are electrically connected to the thin piezoelectric element 20 described above, and the piezoelectric element 20 drives the resonance member 12. Since the electronic drive circuit of FIG. 12 is used to generate a variable frequency pulse train swept between 20 kHz and 80 kHz, the resonant member 12 due to changing load conditions
The resonant member is driven at its exact resonant frequency at some point during the sweep period of the sweep oscillator 83, despite variations in the resonant frequency of. The drive circuit 24 includes a lead 86.
Since it is a 180 ° phase conversion circuit that alternately applies a battery voltage to 88 and 88 in a two-pole manner, a pulse of negative -9 volt of positive +9 volt is alternately applied to the piezoelectric element 20, and during each vibration cycle. A peak-to-peak voltage swing of 18 volts is generated, resulting in the piezoelectric drive element 20 being bent in a first direction and then in a second direction to cause the resonant member 12 to bend.
Generate a reciprocating motion induced by. As a drive device,
IC # 4069B CMOS. Using Hex inverter as driver 30
A pulse train of mA effective value was generated. Components 24, 83
Since 84 and 84 are well known to those skilled in the art, their details have not been described for brevity. Pulsating direct current was also available.

本発明に従って構成された液体噴霧器は従来の超音波噴
霧器より小さく、消費電力が少なく、低い電圧で動作で
きる。前述のように用いた普通の９ボルト電池が優れた
結果を与えることがわかった。発生した蒸気の体積は、
相当のもので、水、アルコール及び水−アルコール−油
の混合物などの比較的低い揮発性の液体をうまく蒸発さ
せたし、意外にも送風機ファンを必要としない。共振部
材に加えられる液体の流量は、多過ぎる必要はなく、液
体を共振部材に送るために毛細管作用を用いる芯が良い
結果を生んでいる。現在の好ましい共振部材１２は、0.
２５４cm(0.1in)の厚さで1.27cm(0.5in)の長さで1.２７
cm(0.5in)の巾のものであり、アルミニウム合金６０６
１−Ｔ６で作られている。Liquid atomizers constructed in accordance with the present invention are smaller, consume less power, and can operate at lower voltages than conventional ultrasonic atomizers. It has been found that the ordinary 9 volt battery used as described gives excellent results. The volume of steam generated is
The equivalent successfully evaporates relatively low volatility liquids such as water, alcohol and water-alcohol-oil mixtures and, surprisingly, does not require a blower fan. The flow rate of liquid applied to the resonant member need not be too high, and wicks that use capillary action to deliver liquid to the resonant member have yielded good results. The presently preferred resonant member 12 is 0.
1.27 cm (0.5 in) long with 254 cm (0.1 in) thick
cm (0.5 in) width, aluminum alloy 606
Made with 1-T6.

印刷回路板などの種々の装置を冷却する音響空気送風機
ポンプとして及び非常に効率的な噴霧器として働くほか
に、共振部材１２を洗浄槽に沈めて超音波エネルギーを
洗浄のために液体槽に効率的に導入する。In addition to acting as an acoustic air blower pump to cool various devices such as printed circuit boards and as a very efficient atomizer, the resonant member 12 can be submerged in a cleaning tank to effectively pump ultrasonic energy into a liquid tank for cleaning. To introduce.

本発明の特定の特徴を幾つかの図面に示しほかのものに
は示さなかったが、これは各特徴が本発明による他の特
徴のどれかまたはすべてと結合できるので便宜上のため
だけである。Although specific features of the invention are shown in some drawings and not in others, this is for convenience only as each feature may be combined with any or all of the other features in accordance with the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第１図は本発明による音響ポンプの略側面図、 第２図は第１図のポンプの共振部材部分の平面図。 第３図は増幅膜が先細表面の上に取付けられた共振部材
を示す第１図と同様の図、 第３Ａ図は増幅膜の別の形の軸測投影図、 第４図は第３図の増幅膜の一部分にある穴を示す拡大断
面図、 第５図は増幅膜のための別の取付台の一部断面の端面
図、 第６図は共振部材のための取付技術と共振部材によって
作られた開いた節線模様を示す平面図、 第７図は第１図の共振部材を取付けるための別の節線取
付部材、 第８図は節線模様を示す楕円共振部材の平面図、 第９図は第８図の楕円形部材の側面図、 第１０図は薄いふちに向って非対称に先細になった二つ
のセクションを有する共振部材の図、 第１１図は本発明に従って構成された噴霧器の好ましい
実施例の軸測投影図、 第１２図は共振部材に取付けた圧電素子を駆動するため
の電子電池作動駆動装置回路を示す略図である。1 is a schematic side view of an acoustic pump according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view of a resonance member portion of the pump of FIG. FIG. 3 is a view similar to FIG. 1 showing a resonance member having an amplification film mounted on a tapered surface, FIG. 3A is an axonometric projection view of another shape of the amplification film, and FIG. 4 is FIG. FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing a hole in a part of the amplification film of FIG. 5, FIG. 5 is an end view of a partial cross-section of another mounting base for the amplification film, and FIG. FIG. 7 is a plan view showing the opened nodal line pattern, FIG. 7 is another nodal line attachment member for attaching the resonance member of FIG. 1, and FIG. 8 is a plan view of an elliptical resonance member showing the nodal line pattern. 9 is a side view of the elliptical member of FIG. 8, FIG. 10 is a view of a resonant member having two asymmetrically tapered sections toward the thin rim, and FIG. 11 is constructed in accordance with the present invention. FIG. 12 is an axonometric projection view of the preferred embodiment of the atomizer, and FIG. 12 shows an electronic battery for driving a piezoelectric element mounted on the resonance member. 1 is a schematic diagram showing a dynamic drive circuit.

Claims (34)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】薄い縁部分に向かって先細になっており、
３００より大きいＱと２×１０⁹dyn-cm/gより大きいこ
わさ対密度比を有する共振部材と、 前記共振部材に機械的に結合されて電気的に作動する共
振部材駆動手段とを備えて成る超音波変換器。1. A taper toward a thin edge portion,
A resonant member having a Q greater than 300 and a stiffness-to-density ratio greater than 2 × 10 ⁹ dyn-cm / g; and a resonant member driving means mechanically coupled to the resonant member to electrically actuate. Ultrasonic transducer. 【請求項２】前記駆動手段が薄い圧電素子から成る特許
請求の範囲第１項に記載の超音波変換器。2. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein said driving means comprises a thin piezoelectric element. 【請求項３】前記圧電素子が前記先細部分から離れた前
記共振部材の厚い部分で前記共振部材に取付けられてい
る特許請求の範囲第２項に記載の超音波変換器。3. The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the piezoelectric element is attached to the resonance member at a thick portion of the resonance member separated from the tapered portion. 【請求項４】前記共振部材が前記薄い縁部分に向かって
非対称に先細になっている特許請求の範囲第１項に記載
の超音波変換器。4. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the resonance member is asymmetrically tapered toward the thin edge portion. 【請求項５】前記共振部材が前記薄い縁部分に向かって
非対称に先細になっている特許請求の範囲第２項に記載
の超音波変換器。5. The ultrasonic transducer according to claim 2, wherein the resonance member is asymmetrically tapered toward the thin edge portion. 【請求項６】前記共振部材が焼戻しアルミニウム合金、
焼戻しマグネシウム合金、炭素鋼、ガラス及びセラミッ
クから成る群から選択された一つの材料で作られている
特許請求の範囲第１項に記載の超音波変換器。6. The resonating member is a tempered aluminum alloy,
The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the ultrasonic transducer is made of one material selected from the group consisting of tempered magnesium alloy, carbon steel, glass and ceramics. 【請求項７】前記共振部材が焼戻しアルミニウム合金、
焼戻しマグネシウム合金、炭素鋼、ガラス及びセラミッ
クから成る群から選択された一つの材料で作られている
特許請求の範囲第３項に記載の超音波変換器。7. The resonating member is a tempered aluminum alloy,
The ultrasonic transducer according to claim 3, wherein the ultrasonic transducer is made of one material selected from the group consisting of tempered magnesium alloy, carbon steel, glass and ceramics. 【請求項８】３００より大きいＱと２×１０⁹dyn-cm/g
より大きいこわさ対密度比を有する薄い縁部分向かって
先細になった共振部材と前記共振部材に機械的に結合さ
れた電気的に作動する共振部材駆動手段と、 ±２７ボルトより小さい電圧パルスを有する脈動電気パ
ルス列を前記駆動手段に加えて前記共振部材を供振させ
る手段とを備えて成る超音波変換器。8. A Q greater than 300 and 2 × 10 ⁹ dyn-cm / g.
A resonant member tapering toward a thin edge portion having a greater stiffness-to-density ratio and electrically actuated resonant member driving means mechanically coupled to said resonant member; and having voltage pulses less than ± 27 volts. An ultrasonic transducer comprising: a means for vibrating the resonance member by applying a pulsating electric pulse train to the driving means. 【請求項９】前記駆動手段が前記共振部材より著しく小
さい質量を有する薄い圧電素子から成る特許請求の範囲
第８項に記載の超音波変換器。9. The ultrasonic transducer according to claim 8, wherein said driving means comprises a thin piezoelectric element having a mass significantly smaller than that of said resonant member. 【請求項１０】前記圧電素子が前記先細部分から離れた
前記共振部材の厚い部分で前記共振部材に取付けられて
いる特許請求の範囲第９項に記載の超音波変換器。10. The ultrasonic transducer according to claim 9, wherein the piezoelectric element is attached to the resonance member at a thick portion of the resonance member separated from the tapered portion. 【請求項１１】前記共振部材が前記薄い縁部分に向かっ
て非対称に先細になっている特許請求の範囲第８項に記
載の超音波変換器。11. The ultrasonic transducer according to claim 8, wherein the resonance member is asymmetrically tapered toward the thin edge portion. 【請求項１２】前記共振部材が前記薄い縁部分に向かっ
て非対称に先細になっている特許請求の範囲第９項に記
載の超音波変換器。12. The ultrasonic transducer according to claim 9, wherein the resonance member is asymmetrically tapered toward the thin edge portion. 【請求項１３】前記共振部材が焼戻しアルミニウム合
金、焼戻しマグネシウム合金、炭素鋼、ガラス及びセラ
ミックから成る群から選択された一つの材料で作られて
いる特許請求の範囲第８項に記載の超音波変換器。13. The ultrasonic wave according to claim 8, wherein the resonance member is made of one material selected from the group consisting of tempered aluminum alloy, tempered magnesium alloy, carbon steel, glass and ceramic. converter. 【請求項１４】前記共振部材が焼戻しアルミニウム合
金、焼戻しマグネシウム合金、炭素鋼、ガラス及びセラ
ミックから成る群から選択された一つの材料で作られて
いる特許請求の範囲第９項に記載の超音波変換器。14. The ultrasonic wave according to claim 9, wherein the resonant member is made of one material selected from the group consisting of tempered aluminum alloy, tempered magnesium alloy, carbon steel, glass and ceramic. converter. 【請求項１５】脈動電気パルス列を前記駆動手段に加え
る手段が前記パルス列を発生する電池で動作する回路か
ら成る特許請求の範囲第８項に記載の超音波変換器。15. The ultrasonic transducer according to claim 8, wherein the means for applying a pulsating electric pulse train to the driving means comprises a circuit operated by a battery for generating the pulse train. 【請求項１６】脈動電気パルス列を前記駆動手段に加え
る手段が前記パルス列を発生する電池で動作する回路か
ら成る特許請求の範囲第９項に記載の超音波変換器。16. An ultrasonic transducer according to claim 9, wherein the means for applying a pulsating electric pulse train to the driving means comprises a circuit operated by a battery for generating the pulse train. 【請求項１７】前記電圧パルスが約±９ボルトの振幅を
有する特許請求の範囲第８項に記載の超音波変換器。17. The ultrasonic transducer of claim 8 wherein said voltage pulse has an amplitude of about ± 9 volts. 【請求項１８】前記電池で作動する回路が前記パルス列
を２０kHzと８０kHzの間の周波数で掃引させる手段を備
えている特許請求の範囲第１５項に記載の超音波変換
器。18. An ultrasonic transducer according to claim 15 wherein the battery operated circuit comprises means for sweeping the pulse train at a frequency between 20 kHz and 80 kHz. 【請求項１９】３００より大きいＱを有すると共に薄い
縁部分に向かって非対称に先細になった共振部材と、 前記共振部材に取付けられて前記共振部材を前記薄い縁
部分と交差する開いた節線模様で供振させるように前記
共振部材の共振周波数範囲内で前記共振部材を駆動する
電気的に作動する駆動装置を備えて成る超音波変換器。19. A resonant member having a Q greater than 300 and tapering asymmetrically toward a thin edge portion, and an open nodal line attached to the resonant member and intersecting the resonant member with the thin edge portion. An ultrasonic transducer comprising an electrically operated drive device that drives the resonance member within a resonance frequency range of the resonance member so as to vibrate in a pattern. 【請求項２０】前記駆動手段が前記共振部材より著しく
小さい質量を有する薄い圧電素子から成る特許請求の範
囲第１９項に記載の超音波変換器。20. An ultrasonic transducer according to claim 19, wherein the driving means comprises a thin piezoelectric element having a mass that is significantly smaller than the resonant member. 【請求項２１】前記共振部材に穴あき板を前記先細表面
から遠ざかる音響圧力と前記先細表面に近づく反動圧力
との間の動的平衡の位置に取付ける手段をさらに含む特
許請求の範囲第２０項に記載の超音波変換器。21. The method of claim 20 further comprising means for attaching a perforated plate to the resonant member at a position of dynamic equilibrium between the acoustic pressure moving away from the tapered surface and the reaction pressure approaching the tapered surface. Ultrasonic transducer according to. 【請求項２２】前記電気的に作動する駆動装置が前記圧
電素子に±２７ボルトより小さい振幅を有するパルスを
加える電池で作動するパルス列発生器を備えている特許
請求の範囲第２０項に記載の超音波変換器。22. The electro-mechanical drive device of claim 20, further comprising a battery-operated pulse train generator that applies a pulse having an amplitude of less than ± 27 volts to the piezoelectric element. Ultrasonic transducer. 【請求項２３】前記パルスが約±９ボルトの振幅を有す
る特許請求の範囲第２２項に記載の超音波変換器。23. The ultrasonic transducer of claim 22 wherein said pulse has an amplitude of about ± 9 volts. 【請求項２４】薄い縁部分に向かって先細になり、３０
０より大きいＱと２×１０⁹dyn-cm/gより大きいこわさ
対密度比を有する共振部材と、 前記共振部材に直接接続された駆動装置と、 前記共振部材を共振させるために脈動電圧を前記駆動装
置に加える手段と、 液体を前記薄い縁部分に隣接した前記共振部材に前記液
体の霧を発生する流量で供給する供給手段とを備えた液
体を霧に変換する噴霧器。24. Tapering towards a thin edge, 30
A resonant member having a Q greater than 0 and a stiffness-to-density ratio greater than 2 × 10 ⁹ dyn-cm / g, a driving device directly connected to the resonant member, and a pulsating voltage to resonate the resonant member. A sprayer for converting a liquid into a mist, comprising: a means for adding to a driving device; and a supply means for supplying the liquid to the resonance member adjacent to the thin edge portion at a flow rate for generating the mist of the liquid. 【請求項２５】前記駆動手段が前記共振部材より著しく
小さい質量を有する薄い圧電素子から成る特許請求の範
囲第２４項に記載の噴霧器。25. A nebulizer as claimed in claim 24, wherein the drive means comprises a thin piezoelectric element having a mass which is significantly smaller than the resonant member. 【請求項２６】前記脈動電圧を加える前記手段が±２７
ボルトより小さい電圧パルスを有するパルス列を発生す
る電池で動作する電圧駆動装置から成る特許請求の範囲
第２５項に記載の噴霧器。26. The means for applying the pulsating voltage is ± 27.
26. The atomizer of claim 25, comprising a voltage driver operating on a battery that produces a pulse train having voltage pulses less than Volt. 【請求項２７】前記電圧パルスが約±９ボルトの振幅を
有する特許請求の範囲第２６項に記載の噴霧器。27. The atomizer of claim 26, wherein the voltage pulse has an amplitude of about ± 9 volts. 【請求項２８】前記パルス列が２０kHzと８０kHzの間の
周波数で掃引される特許請求の範囲第２６項に記載の噴
霧器。28. An atomizer according to claim 26, wherein the pulse train is swept at a frequency between 20 kHz and 80 kHz. 【請求項２９】前記パルス列が２０kHzと８０kHzの間の
周波数で掃引される特許請求の範囲第２７項に記載の噴
霧器。29. An atomizer according to claim 27, wherein the pulse train is swept at a frequency between 20 kHz and 80 kHz. 【請求項３０】前記共振部材が前記薄い縁部分に向かっ
て非対称に先細になっている特許請求の範囲第２４項に
記載の噴霧器。30. The atomizer of claim 24, wherein the resonant member tapers asymmetrically toward the thin edge portion. 【請求項３１】前記共振部材が焼戻しアルミニウム合
金、焼戻しマグネシウム合金、炭素鋼、ガラス及びセラ
ミックから成る群から選択された一つの材料で作られて
いる特許請求の範囲第２４項に記載の噴霧器。31. The atomizer according to claim 24, wherein the resonant member is made of one material selected from the group consisting of tempered aluminum alloy, tempered magnesium alloy, carbon steel, glass and ceramic. 【請求項３２】前記供給手段が前記液体を前記共振部材
に供給する芯状部材から成る特許請求の範囲第２４項に
記載の噴霧器。32. A sprayer according to claim 24, wherein said supply means comprises a core-like member for supplying said liquid to said resonance member. 【請求項３３】薄い縁部分に向かって先細になってお
り、３００より大きいＱと２×１０⁹dyn-cm/gより大き
いこわさ対密度比を有する共振部材と、 前記共振部材より著しく小さい質量を有して前記共振部
材に取付けられた薄い圧電駆動装置と、 前記共振部材を前記薄い縁部分と交差する開いた節線模
様で前記共振部材を振動させて空気の運動を誘導するよ
うに前記駆動装置に前記共振部材の共振範囲内の脈動電
圧を加える手段を備えて成る超音波空気送風機。33. A resonant member tapering toward a thin edge, having a Q greater than 300 and a stiffness to density ratio greater than 2 × 10 ⁹ dyn-cm / g; and a mass significantly less than said resonant member. A thin piezoelectric drive device attached to the resonance member having the above-mentioned structure, and the resonance member vibrating the resonance member in an open nodal line pattern intersecting the thin edge portion to induce movement of air. An ultrasonic air blower comprising means for applying a pulsating voltage within a resonance range of the resonance member to a driving device. 【請求項３４】前記共振部材が前記薄い縁に対して非対
称に先細になっている特許請求の範囲第３３項に記載の
空気送風機。34. The air blower according to claim 33, wherein the resonance member is asymmetrically tapered with respect to the thin edge.