JP2015013234A - 弾性表面波霧化装置 - Google Patents

Abstract

【目的】弾性表面波霧化装置において、供給された液体が櫛型電極に触れて不具合が発生することを防ぐとともに、効率よく霧化が行われるための圧電基板表面の形状、処理方法を提供する。【解決手段】圧電基板上に形成された一対の電極により弾性表面波を励起し、該弾性表面波により供給される液体を霧化する弾性表面波霧化装置において、霧化する基板一部領域を所定の深さで加工し、若しくは処理により、供給された液体を特定の範囲内に留置させることで流出を防ぎ、効率的な霧化を行うことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電基板上の弾性表面波を利用した所望の液体を霧化する装置に関し、特に霧化する領域の形状等に関する。

圧電基板上に液体を供給し、該圧電基板上に形成された櫛形電極（以下、電極と略す）に高周波を印加すると、圧電基板表面を伝搬した弾性表面波によって液体が微小粒子となり、飛翔・霧化する現象が知られている。この現象を利用した霧化装置は、粒径の小さい微粒子を得ることができ、印刷機、医療機器、日用品など広い分野に応用されつつある。
このような弾性表面波霧化装置（以下、霧化装置と略す）では、霧化されるべき液体が電極に触れると電気的に短絡しあるいは、電極の腐食が発生するため、該液体の供給方法が重要な課題であり各種方法が提案されている。

従来の霧化装置における液体供給方法としては、例えば、後述する先行特許文献に開示される構成がある。

これらの先行技術の概要を列記する。
（１）弾性表面波基板の「表面の一部に他部よりも表面粗さの大きい粗面領域が形成されており、前記粗面領域に供給された液体が該領域内に保持されるようにした」点に特徴がある霧化装置…特許文献１
（２）液体供給手段は、圧電基板の表面に対向して配置された液供給部材を有し、「前記液供給部材と前記圧電基板の表面との部材間にあって、液体を保持して誘導したい領域には微小ギャップを設け、液体を供給したくない領域には前記微小ギャップよりも大きいギャップを設け、前記部材間ギャップの大小による液体の表面張力差を利用して液体を前記圧電基板の表面における前記パターン電極から離間した領域にある霧化領域に供給する」点に特徴がある霧化装置…特許文献２

特開２００９-１５４０５８号公報 特許５１５４６５８号

しかしながら、上述した特許文献１に示される霧化装置では、表面粗さについて明確でなく、弾性表面波のエネルギーの効率の点で十分ではない。一方、特許文献２に示される霧化装置では、圧電基板の他に、液供給部材や接点部材等を必要とし、コスト高、組立工数増となる可能性がある。

本発明は、基板に供給された液体の流出を防止しつつ、弾性表面波による霧化効率及び、製造のし易さを考慮した霧化装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、霧化装置において、基板表面の一部領域を所定の深さで段差、くぼみ、若しくは溝を形成し、供給された液体を一定の範囲内に留置させるようにした構造である。
すなわち、段差、くぼみ、若しくは溝により供給された液体が電極の方向へ流れることを防ぐことを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の霧化装置において、前記段差等の深さは、弾性表面波の波長をλとしたときに、１λ以内とした構造である。
すなわち、段差等の深さは弾性表面波の波長をもとに決定することを特徴とする。

請求項３に記載の発明では、霧化装置において、基板表面の一部領域を親水処理し、供給された液体を特定の範囲内に留置させるようにした構造である。
すなわち、霧化を行う領域（以下、霧化領域と略す）に親水処理を施すことにより、供給された液体が霧化領域に留まり電極の方向へ流れることを防ぐとともに、基板との濡れ性を上げることを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、霧化装置において、基板表面の一部領域を撥水処理し、供給された液体を特定の範囲内に留置させるようにした構造である。
すなわち、霧化領域の外周に親水処理を施すことにより、供給された液体を該領域内に保持することを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、霧化装置における霧化領域と弾性表面波を励起する電極の間に、弾性表面波の波長の１／８幅のパターンを弾性表面波の伝搬方向に沿って複数形成し、該グレーティング構造により供給された液体を一定の範囲内に留置させることを特徴とする。
すなわち、グレーティングを形成することにより、供給された液体が電極の方向へ流れることを防ぐとともに、パターン形成を前記周期にすることにより、弾性表面波が該グレーティングを通過する際に反射されるのを防げることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、供給された液体を一定の領域内に留め置くことができ、液体が電極方向に流れて電極指間での短絡や電極指破壊、さらには高周波電源装置の破壊を防ぐことができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、供給された液体を一定の領域内に留め置くために形成した段差、くぼみ、若しくは溝の深さを特に１λ以内とすることで、該段差等が電極を形成するウエハプロセスと同じ工程で形成できるとともに、弾性表面波のエネルギーを無駄にすることなく霧化効率を維持できる。

また、請求項３に記載の発明によれば、供給された液体を親水処理した領域に留め置くことができ、液体が電極方向に流れることを防止するとともに、濡れ性向上により弾性表面波のエネルギーを効率よく液体に伝えることができる。

また、請求項４に記載の発明によれば、供給された液体を疎水処理した領域内に留め置くことができ、液体が電極方向に漏れることを防止するとともに、圧電基板上を伝搬してきた弾性表面波のエネルギーが存在する範囲に液体を保持できる。

また、請求項５に記載の発明によれば、圧電基板表面の形状加工を行うことなく供給された液体を一定の領域内に留め置くことができ、かつ励起された弾性表面波液のエネルギーを無駄にすることなく霧化効率を維持できる。

本発明に係る装置及び、一実施形態を示す図である。 図１に係る本発明の、複数の実施形態を示す図である。 本発明に係る装置及び、一実施形態を示す図である。 本発明に係る装置及び、一実施形態を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の第一の実施形態について説明する。図1において、霧化装置１０は、圧電基板１１（以下、基板という）の表面に電極１２を備えている。電極１２には高周波電源１３が接続され、電極１２に高周波電圧を印加すると電極間に電界が発生し弾性表面波１４が励起される。基板１１は、例えばＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）、ＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム）など、圧電効果を示す強誘電体材料からなる。

霧化装置１０は、基板１１の表面に供給された液体１５を霧化させる霧化領域１６を備える。電極１２によって励起された弾性表面波１４は基板１１の表面付近を伝搬し、領域１６において液体１５を励振することにより霧化１７が可能となる。

本発明は、液体１５が滴下される領域１６部分の基板１１の表面加工及び処理によりを液体１５領域１６部分に留めることを特徴とする。これにより液体１５が電極１２へ流れて電極間の短絡や電極破壊が起こることを防ぐことができる。なお、本発明における弾性表面波１４はレイリー波と呼ばれる表面波を想定しており、液体１５は弾性表面波１４によりその進行方向に励振の作用を受ける。そのため励振により霧化が行われている間、液体１５は電極１２とは反対方向に流動するので、電極１２に接触する可能性は低いと考えられる。しかしながら、電極１２に高周波電圧の印加がなく弾性表面波１４が励起されていないときは、液体１５が電極１２方向へ流れる可能性がある。本発明は、断続的にあるいは一定時間毎に霧化する場合等において特に効果を有する。

段差１８の形成方法として各種の方法が考えられるが、フォトリソグラフィによる加工技術を用いることでも実現できる。この場合、電極１２を基板１１上に形成する工程と同じにすることができ、段差１８の深さ及び、領域１６の大きさを精度良く加工できると同時に作業効率の点で有利である。

さらに、段差１８の深さｔは、弾性表面波１４の波長λに対し１λ以内であることが望ましい。本発明における弾性表面波１４のレイリー波では、圧電基板を伝搬する際、基板表面付近１λ以内に約９０％のエネルギーが存在する。したがって、該深さｔを１λ以内とすれば弾性表面波Ｗの機械的エネルギーを無駄にすることなく液体を霧化することができるとともに、段差１８を形成する加工のし易さも担保することができる。

なお、使用が予定される弾性表面波の周波数は１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度、圧電基板の音速は約４０００ｍ／sec（ＬｉＮｂＯ_３）であるため、ｔの値は４０μｍ〜４００μｍとなる。この深さｔは、上記フォトリソグラフィ加工におけるエッチングでも十分実現可能な値である。

次に、第１の実施形態に係る領域１６の変形例について図２を参照して説明する。図２（ａ）及び（ｂ）は領域１６の形状をくぼみ１９にしたことを特徴とする。該形状にすることで、供給された液体１５が電極１２方向へ流れることを防ぐだけでなく、圧電基板上から流れ出ることを防ぐことができる。くぼみ１９の深さｔは、段差１８の場合と同様に１λ以内であることが望ましい。形成方法に関しても同様にフォトリソグラフィ加工によって行えば、効率よく霧化装置を作製することができる。

図２（ｃ）は、液体１５の滴下場所と電極１２の間に任意の幅の溝２０を設けることで領域１６から液体１５が電極１２方向へ流れることを防ぐことができる。溝２０の深さｔは、段差１８の場合と同様の理由から１λ以内であることが望ましい。形成方法に関しても同様にフォトリソグラフィ加工を使うことができる。他の加工例として、ウエハを切削してチップ化する工程であるダイシング加工技術を用いて、溝２０を形成できるハーフダイシング加工を行えば、精度及び効率よく霧化装置を作製することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る領域１６について図３を参照して説明する。本実施形態では、領域１６の表面を親水処理及び疎水処理することを特徴とする。該処理を施すことで供給した液体１５を一定の領域に留め置くことができ、液体１５が電極１２の方向へ流れることを防ぐことができる。

具体的には、親水処理の領域２１の外周に疎水処理の領域２２を配置する。親水処理により基板１１に対する液体１５の濡れ性を上げ、液体１５を親水処理の領域２１内に留置するとともに、弾性表面波の機械的エネルギーを受け取りやすくできる。さらに疎水処理の領域２２により液体１５が親水処理の領域２１から流れ出ることを抑えることができる。

撥水処理としては、プラズマ重合を用いて基板表面にエチレン重合膜を形成するなど、合成高分子の疎水性を利用して撥水膜を形成する方法の他、フッ素樹脂をエアスプレーや静電気印加スプレー法等で吹き付けて撥水膜を形成する方法などが挙げられる。

親水処理としては、撥水処理と同手法で例えばアルコール系プラズマ重合膜など親水化膜を形成する他、プラズマ洗浄、オゾン洗浄，アルゴン洗浄などウエハプロセスで使用されている既存のクリーニングの技術を用いてもよい。特に後者のウエハ洗浄の方法によれば、電極１２を基板１１上に形成する工程と同時に処理が可能となり、効率よく霧化装置を作製することができる。

なお、本実施形態では、親水処理領域の外周に疎水処理領域を配置しているが、それぞれ片方の処理だけを施して実施しても液体１５を一定の領域に保持する効果が得られることは明らかである。

次に、本発明の第３の実施形態に係る霧化装置ついて図４を参照して説明する。本実施形態では電極１２と領域１６の間に、液体を霧化する弾性表面波１４の波長λの１／８の幅を有するパターンを任意の本数、弾性表面波１４の伝搬方向に沿って配置する。このようなグレーティング２３を形成することで、電極１２方向へ液体が流れることを防ぐことができる。霧化する液体が粘度の高い液体であれば留置可能なことはもちろんであるが、粘度の低い液体であっても表面張力の効果によりパターン付近に液体を留置することができる。

さらにグレーティング２３は、波長λの１／８の幅を有するパターンから成るため、電極１２から伝搬する弾性表面波１４を反射させることがない。つまり、電極１２により励起された弾性表面波１４は減衰されることなく領域１６に到達でき、霧化効率が下がることを防ぐことができる。なお、グレーティング２３の構造として、各パターンの端をつなげた短絡型あるいは、端をつなげない開放型であるかは問わない。また、図４では液体１５と電極１２の間のみに配置しているが、液体１５を囲う様に配置する事で電極１２方向以外へ流れることを防ぐことができる。

グレーティング２３の形成は電極１２と同じウエハプロセスにて同時に行うことができ、効率よく霧化装置を作製することができる。弾性表面波１４の反射が起きないようにするには、グレーティング２３のパターン幅の他にパターンの膜厚や重さも条件となるが、ウエハプロセスで形成することで容易に無反射の条件を実現でき、最適化も可能である。

なお、電極１２若しくはグレーティング２３を形成する材料には、従来技術と同様にＡｌの他、Ｔｉ、Ａｇ、Ｗ、Ｃｕ等の金属およびこれらの合金を用いることができるが、液体１５が触れるグレーティング２３では特に、化学的に安定なＡｕを用いることで腐食等を防ぐとともに、洗浄も可能となる。

以上、実施形態を分説したが、上記構成に限られることなく種々の変形が可能であり、各実施形態の構成を適宜組み合わせて実施できることができる。例えば、第３の実施形態に係る図４のグレーティング２３を図２(ａ)の形態と組み合せること、などである。

１０ 弾性表面波霧化装置
１１ 圧電基板
１２ 電極
１３、２４ 高周波電源
１４、２５ 弾性表面波
１５ 供給する液体
１６ 霧化する領域
１７ 霧
１８ 段差
１９ くぼみ
２０ 溝
２１ 親水処理領域
２２ 撥水処理領域
２３ グレーティング

Claims (5)

1. 圧電基板上における弾性表面波により液体を霧化する弾性表面波霧化装置において、
   前記液体を前記圧電基板上の一定の範囲内に留置可能な段差、くぼみ、若しくは溝を形成することを特徴とする弾性表面波霧化装置。
2. 請求項１に記載の弾性表面波霧化装置において、
   前記段差、くぼみ、若しくは溝の深さは、前記弾性表面波の波長をλとしたときに、１λ以内であることを特徴とする弾性表面波霧化装置。
3. 圧電基板上における弾性表面波により液体を霧化する弾性表面波霧化装置において、
   前記基板表面の一部領域について親水処理したことを特徴とする弾性表面波霧化装置。
4. 圧電基板上における弾性表面波により液体を霧化する弾性表面波霧化装置において、
   前記基板表面の一部領域について撥水処理したことを特徴とする弾性表面波霧化装置。
5. 圧電基板上における弾性表面波により液体を霧化する弾性表面波霧化装置において、
   前記弾性表面波の波長をλとしたときに、λ／８幅のパターンを弾性表面波の伝搬方向に沿って複数形成し、供給された前記液体を一定の範囲内に留置させることを特徴とする弾性表面波霧化装置。