JP2008238058A - 弾性表面波霧化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性表面波霧化装置において、簡単な構成により液体を一定領域に拘束可能として効率的な霧化を実現可能とする。
【解決手段】弾性表面波霧化装置１は、弾性表面波ｗ１，ｗ２を生成するための２つの交差指電極２が表面Ｓに形成された圧電材料から成る振動子３を備え、各交差指電極２は、略円弧状の簾電極２１を略同心状に配置して構成され、一対の交差指電極２がその円弧の突出する方向を互いに向かい合わせると共に互いに離間して圧電材料（振動子３）の表面Ｓに形成されている。発散波となる弾性表面波ｗ１，ｗ２を励振する両交差指電極２の中間に位置する表面領域は、左右両側の交差指電極２からの弾性表面波の振動エネルギ密度が小さい領域となり、力の安定釣り合い点となる。この力の釣り合い点に供給された液体４は、いずれか一方の交差指電極２に近づいた場合に、力の釣り合い点に戻る方向に力を受けてその領域に拘束され、効率的に霧化される。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波霧化装置に関する。

従来、弾性表面波が伝搬している圧電材料などからなる基板の表面に液体を供給すると、液体が弾性表面波のエネルギを受け取って流動したり、振動したりして、微小粒子となって飛翔する現象が知られており、この現象により液体を霧化する装置が種々提案されている。弾性表面波は、通常、圧電材料に設けた交差指電極（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ＩＤＴ）によって、その圧電材料表面に励振される。

弾性表面波霧化装置において、安定した霧化を小電力で効率的に行うには、液体を薄く延ばすと共に、液体供給量と噴霧量とのバランスを良好に保つことが必要である。そこで、弾性表面波が伝搬する振動面の一部に振動面との間に隙間を形成するカバーを設け、前記隙間に供給した液体が隙間から弾性表面波の振動源の方向に出るようにした霧化装置がある。この装置では、カバーに接近した弾性表面波が、薄く広がった液体にキャピラリ波（基板表面を伝搬している弾性表面波が、液体内部に進入してその表面を伝搬する表面張力波）を生じさせ、そこから霧化が行われるとされている（例えば、特許文献１参照）。

また、交差指電極は、通常、薄膜によって形成されており、液体が交差指電極上に供給されて霧化する構成によると、交差指電極の剥離が発生する。これは、超音波洗浄において知られているキヤビテーション現象が、交差指電極と圧電材料との境界面付近に生じて、電極に大きなエネルギが加えられることが１つの原因と考えられている。そこで、霧化は、通常、交差指電極の配置された場所から離れた位置で行われる。圧電材料表面を励振する交差指電極の形状は、互いに平行な櫛歯形状のものが多く用いられるが、液滴の霧化ではなく噴射のために、弾性表面波を集中できるように、弧状または同心状に交差指電極を形成したものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
特許３６２６２２２号公報 特開平０９−１５０５０２号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示されるような弾性表面波霧化装置においては、振動面の一部に振動面との間に隙間を形成するカバーを設けるので装置が複雑になるという問題がある。電力や液体の消費量を抑えて、霧化を効率的に行うためには、液体を薄く延ばすと共に、液体を一定領域に拘束しておく必要があり、上述のようなカバーを用いることなく、このような液体の拘束を実現することが望まれている。

本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により液体を一定領域に拘束可能として効率的な霧化を実現できる弾性表面波霧化装置を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、請求項１の発明は、弾性表面波を生成するための複数の交差指電極が表面に形成された圧電材料から成る振動子を備え、前記振動子の表面に供給される液体を該表面に生成される弾性表面波によって霧化する弾性表面波霧化装置において、前記各交差指電極は、略円弧状の簾電極を略同心状に配置して構成され、前記交差指電極の一対がその円弧の突出する方向を互いに向かい合わせると共に互いに離間して前記圧電材料の表面に形成され、前記液体は前記一対の交差指電極が離間した前記振動子の表面領域に供給されて霧化されるものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の弾性表面波霧化装置において、前記交差指電極が、弾性表面波を反射する反射器を備えているものである。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の弾性表面波霧化装置において、前記液体が供給される前記振動子の表面領域の周辺に前記液体の広がりを防止する堰を備えているものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の弾性表面波霧化装置において、前記交差指電極の対を複数備え、各交差指電極は、互いに異なる方向から前記霧化される液体に向かう弾性表面波を励振するように前記圧電材料の表面に配置して形成されているものである。

請求項１の発明によれば、発散波となる弾性表面波を利用できるように、互いの突出する方向を向かい合わせて交差指電極を配置したので、両交差指電極の中間に位置する液体を供給する表面領域は、両側の交差指電極からの弾性表面波の振動エネルギ密度が小さい領域となり、力の安定釣り合い点となる。そのため、この力の釣り合い点から、いずれか一方の交差指電極に近づいた液体は力の釣り合い点に戻される方向に力を受けてその領域に拘束されるので、液体を一定領域に拘束可能として効率的な霧化を実現できる。

請求項２の発明によれば、対向する一対の交差指電極の外側に反射器を配置することにより、外側に向かう弾性表面波を反射して液体供給領域に向かわせることができるので、エネルギ効率を向上できる。

請求項３の発明によれば、堰を備えることにより、発散する弾性表面波によって両側の交差指電極を結ぶ伝搬路の両側に押し出される方向に力を受ける液体が供給領域から流れ出るのを防いで液体の消費を抑えて効率的に霧化できる。

請求項４の発明によれば、複数方向から集中する弾性表面波によって、液体を一定領域に２次元的に安定に拘束でき、効率的な霧化を実現できる。

以下、本発明の実施形態に係る弾性表面波霧化装置について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１、図２は第１の実施形態に係る弾性表面波霧化装置の構成概念を示し、図３は弾性表面波霧化装置における霧化の様子を示し、図４は弾性表面波霧化装置の変形例を示す。

弾性表面波霧化装置１は、図１、図２に示すように、弾性表面波ｗ１，ｗ２を生成するための２つの交差指電極２が表面Ｓに形成された圧電材料から成る振動子３を備えている。各交差指電極２は、略円弧状の簾電極２１を略同心状に配置して構成され、一対の交差指電極２がその円弧の突出する方向を互いに向かい合わせると共に互いに離間して圧電材料（振動子３）の表面Ｓに形成されている。

弾性表面波霧化装置１は、振動子３の表面Ｓに供給される液体４を表面Ｓに生成される弾性表面波ｗ１，ｗ２によって、図３に示すように、霧滴４１に変化させて霧化する。液体４は２つの交差指電極２が離間した振動子３の表面Ｓの領域に供給されると共にその領域に拘束された状態で霧化される。以下、詳細説明する。

振動子３を構成する圧電材料は、例えば、ＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）のような圧電体そのものからなる基板である。また、圧電材料は、非圧電基板の表面に圧電薄膜、例えば、ＰＺＴ薄膜（鉛、ジルコニューム、チタン合金薄膜）などの圧電体薄膜を形成したものでもよい。その表面の圧電体薄膜の表面部分において、弾性表面波が励振される。従って、振動子３を構成する圧電材料は、弾性表面波が励振される圧電体部分を表面に備えた基板であればよい。振動子３の表面が座標軸ｘｙで決まる平面から成るものとする。以下、便宜上、ｘ方向を左右方向とする。

交差指電極２は、圧電材料の表面に互いに異極となる簾形の電極２１を交互に噛み合わせて形成した電極（ＩＤＴ）である。各簾電極２１は、励振する弾性表面波ｗ１，ｗ２の波長λの半分の長さのピッチで配列されている。同極となる簾電極同士は、連結電極２０によって互いに連結されている。なお、弾性表面波ｗ１，ｗ２の波長λは、必ずしも同じ必要はない。各交差指電極２は、その同心状の簾電極２１の円弧中心がｘ軸方向に沿って配置されているとする。

２つの交差指電極２に高周波電圧印加用の電気回路から高周波（例えば、ＭＨｚ帯）電圧を印加することにより、各交差指電極２を構成する複数の簾電極２１によって電気的エネルギが波の機械的エネルギに変換されて、振動子３の表面にレイリー波と呼ばれる弾性表面波ｗ１，ｗ２が励振される。励振された弾性表面波ｗ１，ｗ２はそれぞれ互いに逆向きの方向ｘ１，ｘ２に進む。弾性表面波ｗ１，ｗ２の振幅は、交差指電極２に印加する電圧の大きさと、交差指電極２からの距離によって決まる。励振された弾性表面波ｗ１，ｗ２の波束の長さは、電圧印加時間の長さに対応する。

上述の弾性表面波ｗ１，ｗ２は、図２に示すように、それぞれ、矢線Ｒ１，Ｒ２に挟まれた領域を伝搬する発散波となる。左右からの弾性表面波ｗ１，ｗ２は、一対の交差指電極２の中間位置で衝突し、その後互いに重ね合わさった状態で伝搬する。液体４は、一対の交差指電極２の中間位置に供給される。液体４の供給は、図示しない装置によって、例えば滴下して行われる。この場合、振動子３の表面Ｓは、通常、水平に維持されている。

このように、弾性表面波霧化装置１は、発散波となる弾性表面波ｗ１，ｗ２を利用できるように、互いの突出する方向を向かい合わせて交差指電極２を配置している。両交差指電極２の中間に位置する表面領域は、左右両側の交差指電極２からの発散波する弾性表面波の振動エネルギ密度が小さい領域となり、力の安定釣り合い点となる。そのため、この力の釣り合い点に供給された液体４は、いずれか一方の交差指電極２に近づいた場合に、力の釣り合い点に戻る方向に力を受けてその領域に拘束される。すなわち、液体４は、一定領域に拘束可能とされ、効率的な霧化を実現できる。

上述の発散波を励振するには、交差指電極２を構成する各簾電極２１が略同心状の略円弧形状を有しておればよい。そこで、交差指電極２の連結電極２０は、図１に示したように、略円弧状の簾電極２１の半径方向とするものの他に、図４に示すように、互いに平行に配置したものとすることもできる。

（第２の実施形態）
図５は第２の実施形態に係る弾性表面波霧化装置を示す。本実施形態の弾性表面波霧化装置１は、図５に示すように、各交差指電極２が、弾性表面波を反射する反射器５を備えており、その他の点は、第１の実施形態の弾性表面波霧化装置１と同様である。

通常、交差指電極は、その交差指電極を構成する個々の簾電極に直交する両側の方向に伝搬する弾性表面波を励振する。そこで、上述の第１の実施形態における弾性表面波霧化装置１では、左右の中央に向かう弾性表面波ｗ１，ｗ２以外に、外側に向かう弾性表面波が励振されており、投入電力の略１／２以下のエネルギしか液体の霧化に利用できていない。この場合、エネルギ効率改善の余地がある。

本実施形態の弾性表面波霧化装置１によれば、対向する一対の交差指電極２の外側にそれぞれ反射器５を配置することにより、外側に向かう弾性表面波を反射して中央の液体供給領域に向かわせることができ、第１の実施形態にかかる弾性表面波霧化装置１よりも、エネルギ効率を向上できる。

なお、反射器５は、例えば、交差指電極２と同様の交差指電極の他に梯子状電極などを振動子表面に配置して構成できる。これらの電極は、多重反射によって反射機能を実現する。

（第３の実施形態）
図６、図７は第３の実施形態に係る弾性表面波霧化装置を示す。本実施形態の弾性表面波霧化装置１は、液体４が供給される振動子３の表面領域の周辺に液体４の広がりを防止する堰６を備えており、その他の点は、第１の実施形態の弾性表面波霧化装置１と同様である。

上述の第１、第２の実施形態における弾性表面波霧化装置１は、振動子３の左右方向（ｘ方向）については、両交差指電極２からの中間位置である左右中央領域が力の安定釣り合い点となって液体４が安定に拘束されるが、振動子３の前後方向（ｙ方向）については、発散する弾性表面波による拘束力を望むことができず、液体４が前後方向に流れ出てしまう。すなわち、液体４は、発散する弾性表面波ｗ１，ｗ２によって両側の交差指電極２を結ぶ伝搬路の外側に押し出される方向（ｙ方向）に力を受ける。

本実施形態の弾性表面波霧化装置１は、振動子３のｙ方向の両端側にｘ方向に沿って堰６を備えており、これらの堰６により、液体４が弾性表面波の主たる伝搬路の外側に押し出されて流れ出るのを防ぎ、液体４の消費を抑えて効率的に霧化できる。図７は、振動子３の表面Ｓ上において、広い範囲で、安定に液体４を拘束して霧化する様子を示す。

堰６は、例えば、振動子３の表面から突出して、液体４の流動を防止するような構造物であればよい。このような構造物は、振動子３の表面Ｓに貼り付けたり、塗布したり、交差指電極２と同様の膜を成膜したりして形成できる。

（第４の実施形態）
図８は第４の実施形態に係る弾性表面波霧化装置を示す。本実施形態の弾性表面波霧化装置１は、交差指電極２の対を複数（本例では２つ）備えるものであり、各交差指電極２は、互いに異なる方向から、霧化される液体４に向かう弾性表面波を励振するように振動子３の表面に配置して形成されているものである。

このような弾性表面波霧化装置１によれば、複数方向から集中する弾性表面波によって、液体４を一定領域に２次元的により安定に拘束でき、効率的な霧化を実現できる。

図９は上述の各弾性表面波霧化装置１における液体４の拘束を一般的に説明するためのものであり、図１０は図９の構成に基づいて弾性表面波霧化装置１における液体に供給される電力（電力差Δｐ）の位置変化を示す。

図９において、左右の交差指電極２の円弧状の簾電極の同心中心をそれぞれＯ１，Ｏ２とし、その間の距離をＤ、中心Ｏ１をｘ座標の原点とし、ｙ方向における位置をＷによって表している。この状況のもとで、左の交差指電極２からの弾性表面波から受ける電力ｐ１は、供給電力Ｐに比例して、ｐ１＝（Ｗ／（ｘ・ｔａｎθ））×Ｐ、となる。同様に、右の交差指電極２からの弾性表面波による電力ｐ２は、供給電力Ｐに比例して、ｐ２＝（−Ｗ／（（Ｄ−ｘ）・ｔａｎθ）））×Ｐ、となる。これらの電力は、それぞれ、液体を電力供給源（交差指電極２）から遠ざけるように作用する。

そこで、液体４は、左右の弾性表面波から電力の差（電力差Δｐ＝ｐ１−ｐ２）に基づく作用を受ける。図１０は、この様子を示している。この図において、左右の交差指電極２とその配置が、左右対称であることが仮定されている。

上述の図９、図１０によると、略円弧状の簾電極２１を略同心状に配置して構成された交差指電極２の一対がその円弧の突出する方向を互いに向かい合わせると共に互いに離間して圧電材料の表面に形成された弾性表面波霧化装置１は、その一対の交差指電極２を結ぶ方向（ｘ方向）における液体４の安定点が左右の交差指電極２の間に形成され、液体４がその安定点に拘束されることが分かる。

さらに、このような弾性表面波霧化装置１において、前記安定点に供給される液体は、左右の交差指電極２から伝搬してきた発散波によって、前後方向（ｙ方向）に沿って広がるように力を受けるので、液体４がｙ方向に沿って効率よく広げられる。液体４がｙ方向に沿って広げられるということは、液体４が左右両側から伝搬してくる弾性表面波のそれぞれの波面に沿って広がるということである。このことは、発散波の各方向の波面のエネルギを効率良く有効利用できることを意味する。また、液体４は、液滴状態よりも、より薄く広がっている方が、より霧化の効率が良く、この点でも弾性表面波霧化装置１の霧化の効率が良いと言える。すなわち、同容量の液体に対し、液厚をより薄くでき、霧化がより容易となる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、第３の実施形態において、堰６を設けてｙ方向の液体の広がりを防止することを示したが、振動子３の表面を、堰６を設けた平面とする替わりに、樋状の形状として、ｙ方向への液体４の流動を防止するようにしてもよい。また、振動子３の表面形状を、緩やかに凹部を形成するすり鉢形状として、その凹部の底部に液体４を拘束するようにして拘束を強化してもよい。また、液体４の供給は、滴下による場合は、振動子３の表面Ｓは水平面に対して上向きとされるが、液体４を吹き付けたり、毛管現象によって表面Ｓに侵出させたりする場合は、表面Ｓを水平にする必要はない。この場合、振動子３の表面Ｓに表面改質処理を行って、部分的に親水性にしたり疎水性にしたりしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る弾性表面波霧化装置の構成概念を説明する斜視図。 同上弾性表面波霧化装置における液体の拘束を説明する斜視図。 同上弾性表面波霧化装置における霧化の様子を説明する部分断面図。 同上弾性表面波霧化装置の変形例を示す斜視図。 第２の実施形態に係る弾性表面波霧化装置の斜視図。 第３の実施形態に係る弾性表面波霧化装置の斜視図。 同上弾性表面波霧化装置における液体の拘束を説明する斜視図。 第４の実施形態に係る弾性表面波霧化装置の斜視図。 本発明の弾性表面波霧化装置における液体の拘束を一般的に説明するための斜視図。 図９の構成に基づいて同上弾性表面波霧化装置における液体に供給される電力の位置変化のグラフ。

符号の説明

１ 弾性表面波霧化装置
２ 交差指電極
３ 振動子
４ 液体
５ 反射器
６ 堰
ｗ１，ｗ２ 弾性表面波
Ｓ 表面

Claims (4)

1. 弾性表面波を生成するための複数の交差指電極が表面に形成された圧電材料から成る振動子を備え、前記振動子の表面に供給される液体を該表面に生成される弾性表面波によって霧化する弾性表面波霧化装置において、
   前記各交差指電極は、略円弧状の簾電極を略同心状に配置して構成され、前記交差指電極の一対がその円弧の突出する方向を互いに向かい合わせると共に互いに離間して前記圧電材料の表面に形成され、前記液体は前記一対の交差指電極が離間した前記振動子の表面領域に供給されて霧化されることを特徴とする弾性表面波霧化装置。
2. 前記交差指電極が、弾性表面波を反射する反射器を備えていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波霧化装置。
3. 前記液体が供給される前記振動子の表面領域の周辺に前記液体の広がりを防止する堰を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の弾性表面波霧化装置。
4. 前記交差指電極の対を複数備え、各交差指電極は、互いに異なる方向から前記霧化される液体に向かう弾性表面波を励振するように前記圧電材料の表面に配置して形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の弾性表面波霧化装置。