JP2005335979A

JP2005335979A - 滑水表面の制御構造

Info

Publication number: JP2005335979A
Application number: JP2004154230A
Authority: JP
Inventors: Yukio Hayakawa; 由紀夫早川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2005-12-08
Also published as: EP1600428A1; US20050264135A1

Abstract

【課題】本発明は、物体の表面に付着した水滴を除去する技術に関し、特に、撥水性材質を塗布することなく、物体の表面に付着した水滴が自重で移動して排除される程の、高い滑水性を付与させる滑水表面の制御構造を提供することを目的とする。
【解決手段】物体１０の表面に設けられ、圧電材料からなる圧電膜１１と、この圧電膜１１に設けられ、交流電圧が印加される少なくとも１対の電極１２と、を備えることを特徴とする滑水表面の制御構造。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体の表面に付着した水滴を除去する技術に関し、特に、付着した水滴を自重により滑って移動させる滑水表面の制御構造に関する。

例えば自動車のウィンドウガラス等の物体の表面に水滴が付着するのを防止する第１の従来技術として、フッ素樹脂等の撥水性物質をこの物体表面に塗布して滑水性を付与する技術が挙げられる。このようなフッ素系樹脂が塗布されることにより表面と水滴との接触角が大きくなり、この水滴が物体の表面を移動しやすくなる滑水性が得られる。これにより、物体の表面に水滴や汚れが付着しにくくなる。
第２の従来技術として、所定の滑水性を具備する物体の表面に、超音波を付与してこの表面を振動させ、付着した水滴の移動を促す技術が挙げられる。
第３の従来技術として、所定の滑水性を具備する物体の表面に、電極を配置し、この電極から発生した電場の作用により、帯電させた水滴をクーロン力または電気勾配力によって、付着した水滴の移動を促す技術である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１１４５３８号公報（段落０００６〜００１６）

しかし、第１の従来技術では、静止した物体の表面に付着した小径の水滴が、自重のみで移動するのに十分な滑水性を備えているものは実在しないのが現状である。
第２，第３の従来技術は、第１の従来技術を補完する技術であって、第２の従来技術では、超音波により与えられた振動エネルギが、大径の水滴を破壊してさらに小径の水滴を生じさせ、かえって水滴の除去を困難にさせる問題があった。
第３の従来技術では、電極が配置された近傍の物体の表面においてのみ、滑水性が発揮されるので、この表面の全面に亘って電極を配置させる必要がある。さらに、付着した水滴を帯電させるためにはこの電極に高電圧を印加させる必要があり、物体の表面が高電位で維持されることは、実用面でさまざまな問題を生じさせる。また、除去された水滴は帯電しているために、周辺に配置された電気回路に悪影響を及ぼす可能性を有する問題がある。

本発明は、以上の問題点を解決することを課題としてなされたものであり、物体の表面に付着した水滴が自重で移動して排除される程の高い滑水性が付与される滑水表面の制御構造を提供することを目的とする。

本発明は、前記した目的を達成するために創案されたものであり、まず請求項１に記載の滑水表面の制御構造は、物体の表面に設けられ、圧電材料からなる圧電膜と、この圧電膜に設けられ、交流電圧が印加される少なくとも１対の電極と、を備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、物体の表面は、電界が付与されると歪み、逆に歪ませると分極する圧電材料で形成されることとなる。そして、電極に交流電圧が付与されると、この電極に挟まれている部分の圧電膜が伸縮し、この圧電膜の水平方向に弾性波を発生させる。この弾性波は、圧電膜を歪ませながら伝播し、この歪みに伴い圧電膜を分極させ、その表面の微小領域を帯電させる。そして、弾性波が伝達される範囲において、この微小領域の帯電の極性が変化する帯電分布が物体の表面に形成される。
このように極性が変化する帯電分布が形成されることにより、物体の表面と付着した水滴との間の結合力が緩和され、物体の表面が水滴を拘束する力が弱まり、物体の表面を傾ければ、重力により水滴が移動する良好な滑水性が得られる。
なお、請求項の記載の「少なくとも１対」とは、弾性波が、物体の表面全体を覆うこととが可能になるように、電極を複数配置させる形態もとり得ることを意図する。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の滑水表面の制御構造において、前記交流電圧の周波数は、４００ｋＨｚから８００ｋＨｚの範囲に含まれることを特徴とする。

かかる構成によれば、超音波の周波数帯域を有する交流電圧を印加されることとなり、物体の表面を伝播する弾性波は、物体の表面だけにエネルギが集中して伝播する弾性表面波が得られる。これにより、交流電圧のエネルギは効率良く、物体の表面に設けられた圧電膜を分極させることとなり、滑水効果を高めることになる。

請求項３に記載の発明は、請求項１記載の滑水表面の制御構造において、前記交流電圧の周波数は、前記圧電膜の共振周波数であることを特徴とする。
。

かかる構成によれば、共振効果により、弾性波の振幅が増幅され、物体の表面に設けられた圧電膜を大きく分極させることとなり、滑水効果を高めることになる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の滑水表面の制御構造において、前記電極はくし歯電極であることを特徴とする。

かかる構成によれば、電極間隔の狭い領域を多数積層して形成される電極が構成される。この電極間隔が狭いことは、付与される電圧を一定のままで、その領域に付与する電界の大きさを高めることができ、さらにこれにより得られた歪みが、積層により加算されることとなる。よって、交流電圧のエネルギを増加させることなく、弾性波の歪振幅を増大させることができる。

本発明に係る滑水ガラスの表面構造により以下に示す優れた効果を奏する。すなわち、物体の表面を、圧電材料で覆い、さらに弾性波を伝播させることにより、微小領域の電気的極性が交互に変化する帯電分布を形成し、これにより、水滴と物体表面との親和性を打ち消し、良好な滑水性能を発揮する物体の表面構造が提供される。

以下本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１（ａ）は本実施形態における滑水表面の制御構造を有する物体を示す斜視図である。図１（ｂ）は、本実施形態における滑水表面の制御構造を有する物体を傾斜させ配置した図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２は、本実施形態における滑水表面の制御構造を有する物体の表面に付着した水滴を拡大して示す断面図である。図３は、水滴と物体表面との界面における状態を示す模式図である。

図１に示すように、表面に滑水性が付与される物体１０の表面には、一定の厚みでコーティングされた圧電膜１１が設けられている。そして、この圧電膜１１の表面には、交流電源１３から供給される交流電圧が印加されるくし歯電極１２が設けられている。

圧電膜１１は、電界を付与すると分極（双極子が電界の方向に配向すること）し、これにより歪を生じる、または、逆に歪を付与すると分極を生じる圧電材料からなるものである。この圧電材料として、例えばＰｂＺｒＯ₃−ＰｂＴｉＯ₃（以下、ＰＺＴと呼ぶ）が挙げられ、このＰＺＴが、均一の所定厚み（望ましくは５μｍ〜１００μｍ）で物体１０の表面にコーティングされている。なお、このＰＺＴは、その表面に水酸基（-OH）を配し、親水性の高い材料である。

くし歯電極１２は、多数（図では３本）の電極片（１２ａ₁，１２ａ₂…）、（１２ｂ₁，１２ｂ₂…）が相互に等間隔で平行に配置してなる第１電極１２ａ、及び、第２電極１２ｂから構成されている。このくし歯電極１２は、金メッキのような金属被膜が、圧電膜１１の上にパターニングされているか、または、圧電膜１１の内部に埋没して形成されていてもよい。またその材質も金属被膜に限定されることなく、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）のような酸化金属系の透明電極であってもよい。ようするに、くし歯電極１２は、後記するように圧電膜１１の局所領域に対し、交流電界を付与できるように構成または配置されていればよい。

そして、第１電極１２ａと、第２電極１２ｂとの間に電圧を印加すると、隣接する電極片（１２ａ₁，１２ａ₂…）、（１２ｂ₁，１２ｂ₂…）に挟まれた圧電膜１１の局所領域に電界を生じさせる。この電界が生じた領域では、電界の極性と大きさとに応じた分極が生じ、その領域を伸長または収縮させることとなる。この伸長または収縮は、電極片（１２ａ₁，１２ａ₂…）、（１２ｂ₁，１２ｂ₂…）に挟まれたいずれの局所領域において同期して発生するので、くし歯電極１２が占める面積の全体部分が伸長または収縮することとなる。このため、交流電源１３を動作させて、第１電極１２ａ及び第２電極１２ｂのそれぞれに、所定の周波数の交流電圧が印加すると、この交流電圧の振幅に比例した伸縮量で、交流電圧の周波数に対応した周期で、このくし歯電極１２の全体が伸縮することとなる。
このように、くし歯電極１２が伸縮することにより、電極片１２ａ₁…の垂直方向に、圧電膜１１の表面を伝播する弾性波Ｌ（図１（ｂ）参照）が得られる。

ここで、くし歯電極１２に印加する交流電圧は、４００ｋＨｚ〜８００ｋＨｚの超音波領域の周波数であることが望ましい。このような超音波領域より大きい周波数では、その振動エネルギにより水滴が破壊されてしまい、これより小さいと良好な滑水特性が得られないことが実験的に明らかになっている。これは、弾性波Ｌの周波数帯域が超音波領域であることにより、物体の表面だけにエネルギが集中して伝播する弾性表面波が形成されることによる。また、交流電圧の波形は、正弦波でも矩形波であってもよく、その振幅（パルス高）は、実験的では４０Ｖ程度が適切であることが明らかとなっている。
なお、くし歯電極１２は、隣接する電極片１２ａ₂，１２ｂ₁の間隔ｄは小さいほど、電極片（１２ａ₁，１２ａ₂…）、（１２ｂ₁，１２ｂ₂…）に囲まれるそれぞれの局所領域に発生する電界が大きくなるので好ましい。また、くし歯電極１２の段数（図では３段）も、多いほど発生する弾性波Ｌの歪振幅を稼げる点で好ましい。

次に、図１（ｂ）、図２、図３を参照して本発明に係る物体の滑水表面の制御構造における動作について説明する。まず、くし歯電極１２に交流電圧をまだ印加させない状態で、図１（ｂ）に示すように、物体１０の表面に水滴Ｄを滴下して、５〜１０°傾斜させる。この状態で水滴Ｄは、物体１０の表面上に静止した状態である。次に、交流電源１３を駆動して、くし歯電極１２に交流電圧を印加すると、水滴Ｄは、物体１０の表面を斜面下方向に移動を開始して最下点まで到達する。

以下、この水滴Ｄが、圧電膜１１のコーティングされている物体１０の表面を移動するメカニズムは、おそらく以下のとおりである。
超音波領域の周波数で交流電源１３が駆動して、物体１０の表面のくし歯電極１２が動作すると、くし歯電極１２の設けられた部分が励振して、電極片（ａ₁，ａ₂…）、（ｂ₁，ｂ₂…）の垂直方向（図中矢印方向）に弾性波Ｌが圧電膜１１の表面を伝播する。この弾性波Ｌは、物体の表面だけにエネルギが集中して伝播する弾性表面波（ＳＡＷ:Surface Acoustic Wave）である。

ここで、図２（ａ）は、ある基準時間ｔ₀において、圧電膜１１と水滴Ｄとの界面の状態を示す断面図である。図示すように、弾性波Ｌ（弾性表面波）は、伝播方向に変位を持つ縦波成分と表面の垂直方向に変位を持つ横波成分とが結合したものであり、両成分の位相は９０°ずれている。
この弾性表面波は、図２に示すように、圧電膜１１の表面を凹凸を伴う疎密部分が交互に連続して伝播するものであり、図中ａ，ｅで示される密部分（凹部分）は、圧電材料の分極により正に帯電し、図中ｃで示される疎部分（凸部分）は、圧電材料の分極により負に帯電している。

図２（ｂ）は、この弾性表面波の周期をＴ（＝１／ｆ，ｆ：交流電源１３の周波数）として、基準時間ｔ₀からＴ／４間隔の時間（ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃，ｔ₄）における、微小領域（ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ）の双極子の配向方向を示す図である。
ａ点に固定して着目するとｔ₀において、ａ点は、弾性波Ｌの密部分（凹部分）が通過する。このとき、ａ点は、正に帯電している。そして、ｔ₁では、弾性波Ｌの節に相当する部分が通過し、圧電材料が歪を伴わないので電気的には中性な状態である。さらに、ｔ₂では、ａ点は、弾性波Ｌの疎部分（凸部分）が通過し、電気的には負に帯電する。また、ｔ₃では、表面波の節に相当する部分が通過し、圧電材料の歪を伴わないので電気的には中性な状態である。そして、ｔ₄では周期が一巡して、ａ点は、再び弾性波Ｌの密部分（凹部分）が通過し、電気的には正に帯電する。
以下、説明は省略するが、ｂ，ｃ，ｄ，ｅ点においても、それぞれ位相がπ／４づつずれた状態で同様の現象が発生している。

このように、弾性波Ｌ（弾性表面波）の伝播に伴い、水滴Ｄと圧電膜１１とが接触する界面では、弾性波Ｌの半波長に等しい間隔で隣接する微小領域が電気的極性を互いに反転させて分布しているといえる。さらに微小領域の表面は、弾性波Ｌの周期と同じ時間間隔で、その電気的極性を正負交互に変化させている。

次に図３を参照して、物体表面（圧電膜１１）が水滴Ｄに及ぼす拘束力について検討する。図３は、水滴と物質との界面を分子レベルまで拡大して示す模式図であり、（ａ）は、物質表面が無極性の状態を示し、（ｂ）は、物質表面が正に帯電している場合を示し（ｃ）は、物質表面が負に帯電している場合を示す。ここで、δ⁺，δ^-とは各分子（官能基）内における電子の偏りを示す。

図３（ａ）に示すように、表面が無極性の場合においては、一般に親水性の高い金属酸化物などの表面を覆う水酸基（-OH）と水分子（H₂O）とが水素結合することにより、水滴Ｄは表面に強く拘束されていると考えられている。ここで、前記したように圧電膜１１の表面において微小領域毎に極性の異なる電荷が分布し、さらに経時的に極性が交互に変化していることを鑑みる。
この微小領域が図３（ｂ）に示すように、正に帯電したとすると、水分子（H₂O）の水素原子と水酸基（-OH）の酸素原子との水素結合が切られ、水分子（H₂O）の酸素原子と全体が正に帯電した水酸基（-OH）との電気的な結合が形成されると考えられる。

次に、この微小領域が図３（ｃ）に示すように、負に帯電したとすると、図３（ｂ）で示されている、水分子（H₂O）の酸素原子と全体が正に帯電した水酸基（-OH）との電気的な結合が切り離される。そして、水分子（H₂O）の一部はその水素原子と全体が負に帯電した水酸基（-OH）との電気的な結合を形成し、その他の水分子（H₂O）は遊離して、物質（圧電膜１１）の表面の拘束から解放されると考えられる。
そして、弾性波Ｌが伝播している間は、（圧電膜１１）の表面の微小領域の電気極性が、短い周期で交互に切り替わる電気的作用と、界面を伝播する横波の物理的作用とにより水滴Ｄと圧電膜１１との界面に働く拘束力が弱められる。このため、物体１０の表面が傾けば、水滴Ｄは、重力にしたがって斜面を移動しやすくなる滑水性が向上することになる。

なお、圧電膜１１の歪量が大きいほど、微小領域に生じる分極は大きくなり、表面の滑水性が向上する。このため、弾性表面波の振幅を大きく稼ぐために、弾性表面波は、伝播する圧電膜１１の表面の固有振動数に等しい共振周波数で励振されることが望ましい。このように共振周波数で励振されることにより交流電源１３に投入する電力を同じくしても、圧電膜１１の表面が共振することにより、伝播する弾性表面波の振幅を大きくとることができる。

また、図１中、くし歯電極１２は、物体１０の中央に1つだけ配置されているが、このくし歯電極１２により励振された弾性表面波は、圧電膜１１の表面を伝播するうちに減衰するものである。このため、この弾性表面波が到達しない領域が無いように、複数のくし歯電極１２は、物体１０の表面に適当に分散して配置されていることが望ましい。
なお、表面では水分子が移動し易い状態となっているので、その上から汚れが付着することが防止され、汚れも落ちやすくする効果も得ることができる。

（ａ）実施形態にかかる滑水表面の制御構造を有する物体を示す斜視図である。（ｂ）実施形態にかかる滑水表面の制御構造を有する物体を傾斜させ配置した断面図である。（ａ）実施形態にかかる滑水表面の制御構造を有する物体の表面に付着した水滴を拡大して示す断面図である。（ｂ）弾性表面波の伝播する圧電膜の表面の双極子の配向方向を示す図である。水滴と物質との界面を分子レベルまで拡大して示す模式図であり、（ａ）は、物質表面が無極性の状態を示し、（ｂ）は、物質表面が正に帯電している場合を示し（ｃ）は、物質表面が負に帯電している場合を示す。

符号の説明

１０物体
１１圧電膜
１２くし歯電極（電極）
１３交流電源
Ｄ水滴
Ｌ弾性波

Claims

物体の表面に設けられ、圧電材料からなる圧電膜と、
この圧電膜に設けられ、交流電圧が印加される少なくとも１対の電極と、を備えることを特徴とする滑水表面の制御構造。
前記交流電圧の周波数は、４００ｋＨｚから８００ｋＨｚの範囲であることを特徴とする請求項１記載の滑水表面の制御構造。
前記交流電圧の周波数は、前記圧電膜の共振周波数であることを特徴とする請求項１記載の滑水表面の制御構造。
前記電極は、くし歯電極であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の滑水表面の制御構造。