JPH07501481A - 流体の小水滴製造装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 流体の小水滴製造装置及びその方法 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二 〇Ｂ−＾−２０４１２４９，ＵＳ−Ａ−３８１２８５４、ＵＳ−Ａ−４０３６９ １９，ＤＢ−Ａ−３４３４１１１，０Ｅ−＾−３７３４９０５．ＵＳ−Ａ−４５ ３３０８２゜ＥＰ−＾−０４３２９９２，ＥＰ−Ａ−０４８０８１５、及び、Ｐ ｈｙｓｉｃａｌ　Ｐｒ１ｎｃｉｐｌｅｓ　ｏ「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈ ｎｏｌｏｇｙ　ｂｙ　Ｒｏｓｅｎｂｅｒｇ、　ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ　ｉｎ　Ｐｌ ｅｎｕａｏいくつかの例（例えば、ＤＢ−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−＾−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、同様の離隔した機械振動源により それ自身が駆動される。

これらの方法は、一般に小水滴の飛沫の製造においてエネルギー利用効率が低く 、もしくは、比較的製造コストが高い。

さらに他のケース（例えば、ＵＳ−Ａ−４５３３０８２）においては、機械的振 動源は多孔膜に近接しており、励起は、振動源から直接的に多孔膜へ伝わる。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−＾−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−＾−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。

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、前記膜を振動させるアクチュエータと、流体 を前記膜の表面に直接供給する手段とを有し、流体は該手段から前記膜の振動に より噴霧され、前記アクチュエータは屈曲モードで動作する複合薄肉構造を有す 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を使用せずに）、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、Ｍ（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而として規定される。

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つる。

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。

膜を多孔質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 用されつる。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−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（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ビ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ビン形状は、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、特に多孔質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−形（Ｉｌｏｎｏｍｏｒｐｈ　）、単−形（ｕｎｉａ＋ｏｒｐ ｈ）　、抜形（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Ｙｔ”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品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ｌ１ｏｅｃｈｓｔ　ＣｅｒａｍＴｅｃ　ＡＧ　ｏｒＬａｕｒ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。

それらは、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は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、は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質的に利益がある。

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り、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、 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２．５ｍｍ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５ｍｍ、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、複数の先細り成孔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５ｔｏｒｋ　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から人手できるＢａ５ｏｔｅｃｔ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つる。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　ｐｌａ ｓｒＡａ）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かできる。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。（商業的に人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収縮運動（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（これも単数形が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： Ｙｈ　−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、ｙｈ、ｙｈ”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１〜１ｏ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 特性から製造されつる。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７６．２７６（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ツ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子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、Ｌ ｍ、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、ＬｍＳＣｍ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度シフトする一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２７６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−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Ｌｌ）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。Ｌｌ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Ｌｌ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Ｌｌ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、ＬｍＳＣｍに加えられるようにする。アクチュエータに 並列なＬｌ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２７５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２７５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（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。

典型的な、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Ｑｌ ）と共に示されている。Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４はバイアス点を作り、Ｒ５、Ｒ６はｄ ｃア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Ｌｌ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、メイン電極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。

Ｆｉｇｕｒｅ　１ Ｆｉｇｕｒｅ　２ Ｆｉｇｕｒｅ　４ Ｆｉｇｕｒｅ　５ Ｆｉｇｕｒｅ　６ Ｆｉｇｕｒｅ　８ Ｆｉｇｕｒｅ　９ Ｆｉｇｕｒｅ　１０ Ｆｉｇｕｒｅ　１１ １１１１１１　１１ＩＮ＋ Ｉｌｌ　Ｉｌｌ　ＩＩＩ　ｌ１ｌ Ｉｌｌ　Ｉｌｌ　Ｉｌｌ　ｌ１ｌ Ｉｌｌ　ＩＩＩ　Ｉｌｌ　１１　１ １１１１１１　Ｉｌｌ　Ｉｌｌ Ｆｉｇｕｒｅ　１７ Ｆｉｇｕｒｅ　１Ｂ 図１９ 補正書の翻訳文の提出書（特許法第１８４条の８）平成６年り月書日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．膜（５）と、 屈曲モードで動作する複合厚肉構造を有し、前記膜を振動させるアクチュエータ （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ることを特徴とする流体の小水滴製造装置。 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 滴製造装置。 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 請求項２記載の流体の小水滴製造装置。 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．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 材に機械的に接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．さらに、電界又は磁界を印加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．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。 ８．前記部材の機械的剛性の他の層に対する比率α（Ｙｈ２−αＹ′ｈ′２）が 、０．３＜α＜１０の範囲内であることを特徴とする請求項７記載の流体の小水 滴製造装置。 ９．アクチュエータが環状のディスク（７０）であり、前記膜（５）がディスク の中心穴に渡って配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一 項に記載の流体の小水滴製造装置。 １０．前記膜が複合薄肉構造のアクチュエータと一体的に形成されていることを 特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の流体の小水滴製造装置。 １１．流体は毛管給水装置により膜に供給されることを特徴とする請求項１乃至 １０のいずれか一項に記載の流体の小水滴製造装置。 １２．前記毛管給水装置が連続気泡発泡体又は繊維状の芯（３０）を有している ことを特徴とする請求項１１記載の流体の小水滴製造装置。 １３．前記流体が、それにより小水滴が拡散される膜の表面に供給されることを 特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の流体の小水滴製造装置。 １４．さらに前記アクチュエータを共振振動するよう駆動する自動同調駆動回路 （３００、３０３）を有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項 に記載の流体の小水滴製造装置。 １５．前記アクチュエータが、それによりフィードバック信号が前記駆動回路に フィードバックされるフィードバック電極（２７６）を有することを特徴とする 請求項１４記載の流体の小水滴製造装置。