電気と磁気の?館

No.44　超音波で霧をつくり出す加湿器のしくみ

禁煙グッズのニューフェイス“電子タバコ”とは？
家庭向け小型加湿器を実現したTDKの超音波霧化効果の研究
家庭用から医療用、産業用まで、広く活躍するTDKの超音波加湿ユニット“ネブライザ”

禁煙グッズのニューフェイス“電子タバコ”とは？

ベネズエラ北西部のカリブ海に位置するトリニダード・トバゴは、コロンブスの第3回目の航海（1498年）によって、初めてヨーロッパに知られるようになった島。“トバゴ”とは“タバコ”のことで、ヨーロッパでは見たこともない薬草の葉を、先住民がくゆらして吸引する習慣があることから、スペイン人が命名したものです（タバコとは薬草類を意味するスペイン語）。こうしてヨーロッパに伝えられたタバコは、当初は薬として使用されました。成分のニコチンも、タバコの薬効を研究したフランスのジャン・ニコの名にちなんだもの。日本には早くも天正年間（1572-1592）にポルトガル船によってもたらされ、江戸中期には広く庶民の間にも喫煙の習慣が定着しました。

しかし、近年は医学的に喫煙の有害性が指摘されるようになり、禁煙運動が世界的な広がりをみせています。とはいえ依存性があるため、きっぱりとやめられないのがタバコのやっかいなところ。煙をくゆらせながら、吸うしぐさが癖になっているので、ガムやキャンディーなどを口にしても、なかなか禁煙に成功しないようです。そこで、新たな禁煙グッズとして登場したのが電子タバコ。見た目ばかりでなく、吸い込んで白煙を吐くというところも、本物のタバコそっくり。白煙といっても、その正体は霧のような微細なミストなので、火災の心配もありません。

電子タバコは小さいながら立派な電子機器。紙巻タバコを模した本体には、充電式の小型バッテリやIC制御回路、香りをつけた水の入ったカートリッジやそれを霧状にする変霧器などが搭載されています。口にくわえて吸い込むと、センサによって電子回路が作動し、LEDが点灯するとともに、変霧器からあたかもタバコの煙のようなミストが発生するというしくみです。カートリッジは交換式で、ミントなど、好みにあった香りを選ぶことができます。電子タバコの心臓部は変霧器です。自然界の霧粒は、雨粒の数百分の1ほどのサイズの小さな水滴ですが、電子タバコでは自然界の霧よりも、さらに微細なミストを発生させています。

家庭向け小型加湿器を実現したTDKの超音波霧化効果の研究

超音波によって霧を発生する技術は、加湿器や吸入器などとして広く利用されています。水槽の底に圧電セラミックスの振動子を設置し、これに高周波の交流電圧を加えると、発生した超音波の振動エネルギーは水面に伝わり、ある条件下では水面の一部が隆起して、そこから微細な霧が発生します。ミクロ的にはっきり解明されてはいませんが、隆起した水面の表面張力が部分的に低下して起こる現象と説明されています。これは中国で古くから伝わる“噴水魚洗”とも似ています。噴水魚洗とは左右に取っ手がついた銅盆で、水を張って取っ手を両手ですばやく摩擦すると、水面から水しぶきが上がります（本シリーズ第11回で紹介）。銅盆に入れた水の固有振動数と、摩擦による振動周期が一致したときに起きる共振現象によるものですが、超音波加湿器は共振周波数がきわめて高いので霧が発生するのです。

1973年、超音波による霧化効果を、家庭用加湿器として応用するための研究に取り組んだのはTDK。家庭用加湿器として製品化するためには、小さな圧電振動子でも大きな霧化量を得ることのできる効率的なシステムが必要となりますが、当時、この方面は未開拓の技術分野となっていたのです。

超音波を利用した霧化装置においては、圧電振動子の共振周波数や水深が、霧化量と関わってきます。たとえば同じ周波数でも、水深によって霧が発生したり、しなくなったりします。また、大きく薄い振動子を用いれば、霧化量が増えそうですが、実際にはそのような結果は得られません。TDKはさまざまな実験から、圧電振動子の大きさや厚み、周波数、音圧、水深などの最適条件を割り出すとともに、圧電振動子を水平ではなく、7°傾けて設置することで、霧化効率を最大化できることを突き止めました。これは実用新案として認定され、1977年に超音波加湿ユニット“ネブライザ”として製品化。小型･高効率な家庭用加湿器としてさかんに利用されるようになりました。

家庭用から医療用、産業用まで、広く活躍するTDKの超音波加湿ユニット“ネブライザ”

家庭用など、一般用途向けの超音波加湿器のしくみをご紹介します。給水タンクから霧化室に供給される水は、フロートスイッチにより一定水位を保つようになっていて、霧化室の底には圧電振動子が設置されています。圧電振動子は円盤状の圧電セラミックプレートの両面に金属電極をめっきで形成した素子。駆動回路から高周波の電圧が加わると、圧電振動子は超音波振動子として機能し、その振動エネルギーは水面に集中して水柱が立ち、表面張力が大幅に低下した水柱の先端部から水の微粒子が飛散します。これを送風ファンのエアフローによって、霧として送り出すというのが基本のしくみです。超音波加湿器の霧粒は数ミクロン（μm）程度ときわめて微細なため、まるで白煙のような霧を発生します。

ぜんそくやアレルギー性鼻炎といった呼吸器疾患などの治療に使われる薬剤吸入器にも、TDKの超音波加湿ユニット“ネブライザ”が活躍しています。通常の加湿器と違うのは、水ではなく薬剤溶液を霧化させること。このためダブルチャンバー方式という二重容器が採用されています。まず水を超音波振動させ、その振動エネルギーを超音波透過膜を通じて薬剤容器に伝える方式です。

TDKの超音波加湿ユニット“ネブライザ”は、ローコストかつ小型化を追求した省部品・省スペース設計で、長期にわたり高い信頼性を保持するのが特長。家庭用加湿器や薬剤吸入器ばかりでなく、一定湿度を保つ必要のある美術館やコンピュータルーム、青果ショーケースやキノコ栽培ほか、湿度ムラが製品の品質に悪影響を及ぼす製紙工場など、産業分野においても広く活用されています。