JP5154658B2

JP5154658B2 - 弾性表面波霧化装置

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Publication number: JP5154658B2
Application number: JP2010534697A
Authority: JP
Inventors: 陽平石上
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2029-10-22
Also published as: EP2338609A4; WO2010047110A1; EP2338609B1; US8480010B2; JPWO2010047110A1; CN102196866B; CN102196866A; US20110192914A1; EP2338609A1

Description

本発明は、弾性表面波を用いた霧化装置に関する。

従来、弾性表面波が伝搬している圧電材料などの基板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いる。この現象を利用して液体を霧化する装置が種々提案されている。霧化の原理として、例えば、基板表面を伝搬している弾性表面波（レイリー波）が、液体内部に進入してその表面を伝搬する表面張力波（キャピラリ波）となり、その結果、液体の表面から霧が発生する、などの説明がなされている。

このような霧化装置における弾性表面波は、圧電基板の表面に形成した交差指電極に高周波電力を投入して励振される。交差指電極は電気部品であり、交差指電極が液体によって短絡したり錆びて劣化したりする不具合から保護する必要がある。また、エネルギ効率良く安定に霧化させるには、液体を所定の霧化領域に一定量ずつ安定に誘導（搬送）して供給することが必要である。このような液体供給の一手法として、液体の表面張力や毛細管現象を利用することが考えられる。

例えば、弾性表面波を用いるものではないが、縦振動モードの超音波振動をする円板状の振動板の表面に液体を供給して霧化する噴霧ヘッドが知られている（例えば、特許文献１参照）。この噴霧ヘッドにおける液体は振動板の周辺部に円筒管の折り曲げ部を近接配置して形成した円環隙間から供給され、液体の表面張力によって液膜厚さが保持される。

また、弾性表面波を励振する交差指電極を表面に有する圧電基板と、前記圧電基板の表面周縁部に配設されたスペーサと、霧の吐出口を有し前記スペーサを挟んで前記圧電基板の表面に対向して配設された液体供給板とによって、液体を保持する空間を形成して成る霧化装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。この霧化装置は、前記空間に連通する液体導通路における毛細管現象によって液体を前記空間に供給する。

特開２００３−７１３４３号公報特開２００８−１０４９６６号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示されるような構成の噴霧ヘッドは、液体との接触から保護すべき交差指電極などを備えておらず、弾性表面波霧化装置における交差指電極保護などの問題解決を示唆するものではない。また、上述した特許文献２に示されるような霧化装置においては、液体を保持する空間が交差指電極の存在する表面位置に存在しており、交差指電極の全面が、絶縁性の保護膜または絶縁性の親液性膜を介して常に液体に隣接した構成となっている。つまり、交差指電極の保護は、ひとえに絶縁膜の信頼性に依存しており、好ましい構造とはいえない。

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、液体を基板表面の霧化領域まで一定量ずつ安定に誘導すると共に基板表面における液体の分布を制限することができ、安定で効率の良い霧化および交差指電極等の劣化抑制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、本発明は、高周波電圧の印加によって弾性表面波を励振するパターン電極を表面に有する圧電基板と、前記圧電基板の表面に液体を供給する液体供給手段と、を備え、前記液体供給手段によって前記圧電基板の表面に供給される液体を前記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、前記液体供給手段は、前記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ものである。

ある好適な態様では、前記微小ギャップは、前記圧電基板の表面に対向する前記液供給部材の表面を粗化して成る凹凸によって形成されている。

ある好適な態様では、前記微小ギャップは、前記圧電基板の表面であって前記弾性表面波が励振されない領域に形成されている。

ある好適な態様では、前記圧電基板を裏面から支持する支持プレートを備え、前記支持プレートは、前記圧電基板の表面における前記パターン電極が形成されている領域と前記部材間ギャップが形成されている領域とを互いに離間させる領域の裏面に間隙を形成するように設けられている。

ある好適な態様では、前記パターン電極に電圧を印加するための電極ピンを有して前記圧電基板上に装着される接点治具を備え、前記接点治具は、前記圧電基板の表面に対して前記パターン電極側から見て該パターン電極に近い側に大きいギャップ、遠い側にこの大きいギャップよりも小さいギャップが形成されるように構成され、前記パターン電極と霧化領域とを離間させている。

本発明によれば、微小ギャップにおける表面張力によるほぼ一定の保持力によって液体を圧電基板表面の霧化領域まで一定量ずつ安定に搬送すると共に、大きいギャップによって圧電基板表面における液体の分布を制限することができ、安定で効率の良い霧化および交差指電極等の劣化抑制を実現できる。

前記微小ギャップが前記圧電基板の表面に対向する前記液供給部材の表面を粗化して成る凹凸によって形成されている場合、微小ギャップの形成は液供給部材の表面を粗化すればよく、大きいギャップは十分大きくすればよいので、液供給部材の加工に要求される寸法精度が緩和される。

前記微小ギャップが前記圧電基板の表面であって前記弾性表面波が励振されない領域に形成されている場合、液体を押し戻そうとする弾性表面波からの抵抗を受けることなく計算どおりに液体を霧化領域に誘導することができる。

前記支持プレートが前記圧電基板の表面における前記パターン電極が形成されている領域と前記部材間ギャップが形成されている領域とを互いに離間させる領域の裏面に間隙を形成するように設けられている場合、裏面の間隙が毛細管現象による液体の誘導を遮断するので、圧電基板の裏面に液体が漏れ込んだとしても、液体が裏面を伝ってパターン電極が形成されている領域に達するということがなく、パターン電極のショートや劣化などの不具合を防止できる。

前記接点治具が前記圧電基板の表面に対して前記パターン電極側から見て該パターン電極に近い側に大きいギャップ、遠い側に前記大きいギャップよりも小さいギャップが形成されるように構成され、前記パターン電極と霧化領域とを離間させている場合、パターン電極前の大小のギャップによって、パターン電極への液体の接近を防止できるので、パターン電極のショートや劣化などの不具合を防止できる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る弾性表面波霧化装置の斜視図、（ｂ）は（ａ）の断面図。同上装置の一部破断した分解斜視図。同上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断面分解図。第３の実施形態に係る弾性表面波霧化装置の一部分解斜視図。（ａ）は同上装置の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。第４の実施形態に係る弾性表面波霧化装置の一部分解斜視図。（ａ）は同上装置の断面図、（ｂ）は同平面。第５の実施形態に係る弾性表面波霧化装置の斜視図。同上装置の断面図。

（第１の実施形態）
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。図１（ａ）（ｂ）、図２は第１の実施形態に係る弾性表面波霧化装置を示す。弾性表面波霧化装置１は、高周波電圧の印加によって弾性表面波Ｗを励振するパターン電極２を表面Ｓに有する圧電基板３と、圧電基板３の表面Ｓにおける霧化領域３０に液体Ｍを供給するための液供給部材４と、パターン電極２に電圧を印加するための電極ピン５１を有してパターン電極２の上方から圧電基板３上に装着される接点治具５と、圧電基板３を下方から支持する基礎部材である支持プレート６と、を備え、液供給部材４によって圧電基板３の表面Ｓに供給される液体Ｍを表面Ｓに生成される弾性表面波Ｗによって霧化する。液供給部材４は、不図示の液体容器などと共に液体供給手段を構成する。液供給部材４は、毛細管現象によって液体Ｍを保持して誘導する部材間ギャップを圧電基板３の表面Ｓに形成して液体Ｍを霧化領域３０に供給する。以下、各構成を詳細説明する。

パターン電極２は、圧電基板３の表面Ｓに２つの櫛形の電極を互いに噛み合わせて形成した電極（交差指電極、ＩＤＴ：インター・ディジタル・トランスジューサ）である。パターン電極２の互いに隣り合う櫛の歯は互いに異なる電極に属し、励振する弾性表面波Ｗの波長の半分の長さのピッチで配列されている。パターン電極２の２つの櫛形電極に高周波電圧印加用の電気回路Ｅから高周波（例えば、ＭＨｚ帯）電圧を印加することにより、櫛形電極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、圧電基板３の表面Ｓにレイリー波と呼ばれる弾性表面波Ｗが励振される。励振された弾性表面波Ｗの振幅は、パターン電極２に印加する電圧の大きさで決まる。励振された弾性表面波Ｗの波束の長さは、電圧の印加時間の長さに対応する。パターン電極２によって励振された弾性表面波Ｗは、一対の櫛形電極の歯が交差した幅に対応する幅の波となって、櫛の歯に垂直な方向ｘに伝搬する。このような弾性表面波Ｗは、表面Ｓに存在する液体に対して、弾性表面波Ｗの伝搬方向に移動させるような力を及ぼす性質がある。また、櫛形電極は、方向ｘの正負両方向に伝搬する弾性表面波を生成するので、負方向に向かう弾性表面波を全反射させて有効利用する反射器を備えてもよい。

圧電基板３は、例えば、ＬｉＮｂＯ３（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、圧電基板３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）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Ｗが励振される。従って、圧電基板３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。

本実施形態における圧電基板３は、長方形の板状に形成されている。圧電基板３の長手方向の一端側（図の右方側）にパターン電極２が形成され、他端側から方向ｙに沿って中央に向けて液体Ｍが誘導される。圧電基板３の中央部付近に液体Ｍが微粒子となって飛散する霧化領域３０が設定されている。つまり、圧電基板３上における液体Ｍの供給位置および霧化領域３０は、弾性表面波Ｗを励振するパターン電極２の位置から弾性表面波Ｗの伝搬方向（方向ｘ）側に離間した位置に設定されている。また、圧電基板３は、支持プレート６に形成された凹部に、互いの表面が面一となるように載置されている。載置された圧電基板３は、２本のネジ（不図示）を用いて支持プレート６に固定された接点治具５によって、支持プレート６に固定されている。接点治具５の圧電基板３との対向面には、弾性表面波Ｗの励振と伝搬を妨げないように凹部５０が形成されている。

液供給部材４は、略直方体の部材であって、圧電基板３の上方から圧電基板３の表面Ｓに対向して配置され、２本のネジ（不図示）を用いて支持プレート６に固定されている。液供給部材４の下面４０（圧電基板３に対する対向面）には、圧電基板３の長手方向（方向ｙ）に沿った２本の溝部４２が形成され、その溝部４２に挟まれた領域の面４１は、下面４０よりも後退した面とされている。このような液供給部材４が支持プレート６に配置されることにより、面４１と圧電基板３の表面Ｓとによって微小ギャップ１１が形成され、溝部４２と圧電基板３の表面Ｓとによって大きいギャップ１２が形成される。圧電基板３の表面Ｓにおける微小ギャップ１１が形成される領域Ａ１（図２）は、液体Ｍを保持して誘導する領域であり、大きいギャップ１２が形成される領域Ａ２は、液体Ｍを誘導させない領域である。微小ギャップ１１は、例えば、０．１〜０．３μｍ程度の間隙である。また、大きいギャップ１２は、例えば、３００〜５００μｍ程度の間隙である。

領域Ａ１に対する液体Ｍの供給は、領域Ａ１の方向ｙ側とは反対側の端部Ｐから行われる。端部Ｐへの液体Ｍの供給は、液体Ｍの滴下や、別途の部材により形成した微小隙間や多孔質材材料や繊維材料などによる毛細管現象により行うことができる。

上述の液供給部材４は、言い換えると、液体Ｍを保持して誘導したい領域には微小ギャップ１１を設け、液体Ｍを供給したくない領域には大きいギャップ１２を設け、部材間ギャップの大小による液体Ｍの表面張力差を利用して液体Ｍを圧電基板３の表面Ｓにおけるパターン電極２から離間した領域にある霧化領域３０に供給するものである。領域Ａ１の方向ｙ側の端部に液体Ｍが出てくることになり、その方向ｙの前方領域が霧化領域３０となる。液体Ｍは、領域Ａ１の前周囲に表面張力によって形を保持して液面を露出させるが、霧化領域３０側においては霧化によって消費されるので、次々と液体Ｍが供給されることになる。

本実施形態の弾性表面波霧化装置１によれば、微小ギャップ１１における表面張力によるほぼ一定の保持力によって液体を圧電基板表面Ｓの霧化領域３０まで一定量ずつ安定に搬送すると共に、大きいギャップ１２によって圧電基板表面Ｓにおける液体Ｍの分布を制限することができ、安定で効率の良い霧化および交差指電極等の劣化抑制を実現できる。なお、圧電基板表面Ｓに霧化されない液体Ｍが液滴などのように存在すると、大電力による霧化の場合はともかく、低電力による霧化の場合に、液滴によって弾性表面波Ｗのエネルギが吸収されて霧化が停止するか不安定な動作となる。本実施形態の弾性表面波霧化装置１は、微小ギャップ１１の効果により液滴発生が防止され、低電力であっても安定に霧化することができる。微小ギャップ１１による液体Ｍの保持と誘導は、高周波電気回路におけるマイクロストリップ線路による導波路の概念に通じるものがある。つまり、圧電基板３の表面Ｓに微小ギャップ１１による線路（領域Ａ１による線路）を所望の形状に形成することにより、液体Ｍを線路から漏洩させることなく所望の位置に誘導することができる。

図３は、本実施形態の弾性表面波霧化装置１の変形例を示す。この変形例においては、圧電基板３は、そのパターン電極２側の部分が支持プレート６における凹部に載置して固定され、微小ギャップ１１が形成されている側の端部が支持プレート６から片持ち梁状に突出された状態とされている。従って、微小ギャップ１１が形成されている領域（不図示、後述する図８（ｂ）における領域Ａ１参照）には、部材間の接合線（部材間隙間）が存在しない構造となっている。ここで、部材間の接合線とは、例えば、図２における圧電基板３の領域Ａ１側端部面と支持プレート６における凹部の開口壁面との接合面が露出して成る線である。図２の構造では、領域Ａ１がこの接合線を通過しており、この接合線における部材間の間隙に液体Ｍが入り込むことになる。その点、本変形例の弾性表面波霧化装置１では、液体Ｍを誘導する領域に接合線がなく、圧電基板３の裏面に液体が回り込むことが抑制されている。

また、このような部材間隙間における液体Ｍの回り込み（入り込み）の防止は、例えば、図１（ａ）や図３に示されている大きなギャップ１２によっても行われている。ここで、一般的な部材間隙間における液体の入り込みとの関連について説明する。一般に、部材間には隙間があり、その隙間に液体が接触すると、隙間への液体の入り込みが顕著に発生する。この液体の入り込みを構造によって防止するには、「隙間をゼロにする」か、「液体に発生する表面張力を小さくする」という手段がある。しかしながら、隙間をゼロにすることは、寸法精度や構造上の観点から困難である。そこで、本実施形態においては、液体Ｍを誘導する領域Ａ１と入り込みを防止したい部分との間に溝部４２によって大きなギャップ１２を設けて、表面張力が小さくなる部分を配置し、部材間の接合線（部材間隙間）に液体が入り込まないようにしている。また、この図３の変形例においては、液供給部材４の霧化領域３０側の端面に斜面が形成されている。この斜面は、霧化領域３０において霧化された液体粒子の飛行や付着を妨げないように設けられている。

弾性表面波霧化装置１は、例えば、小電力の乾電池によって駆動する医療用の吸霧器として用いられる。この場合、霧化される液体Ｍは、水や、水に薬品を溶かした薬液などである。また、弾性表面波霧化装置１を比較的大電力で駆動する場合は、例えば、乾燥防止用の湿度調整装置として用いられる。

（第２の実施形態）
図４により第２の実施形態に係る弾性表面波霧化装置を説明する。本実施形態の弾性表
面波霧化装置１は、第１の実施形態とは、微小ギャップ１１の形成方法が相違し、他の点は同様である。すなわち、液供給部材４の下面４０における２本の溝部４２に挟まれた領域の面４１は、下面４０よりも後退した面が形成される代わりに、下面４０を粗化して成る凹凸が形成されている。このような粗化による凹凸が形成された面４１は、圧電基板３の表面Ｓに接面することにより、上述の微小ギャップ１１と同等の効果を奏する。

上述した第１の実施形態における微小ギャップ１１は、０．１〜０．３μｍ程度と微細であるため、加工精度や取り付け誤差の影響を受けることがある。また、２つの部材をネジによって固定した場合に、部材の対向面の表面粗さの存在により部材間の隙間に液体が入り込むことが知られている。本実施形態の液供給部材４は、このような背景に基づいて構成されている。

本実施形態の弾性表面波霧化装置１によれば、微小ギャップ１１の形成は液供給部材４の表面を粗化すればよく、大きいギャップは十分大きくすればよいので、液供給部材４の加工に要求される寸法精度が緩和される。すなわち、液体Ｍを誘導するにあたり、精度の高い加工を行って微小ギャップ１１を形成する必要はなく、表面粗さを利用して誘導したい場所に液体Ｍを誘導することができる。この場合、液体Ｍを誘導する線路の両側には、液体Ｍを誘導させないための溝部４２を形成しておく。また、粗化による凹凸は、面４１だけに限らず、下面４０の全面に形成してもよく、誘導用の線路は溝部４２によって設定することができる。

（第３の実施形態）
図５、図６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、第１および第２の実施形態とは、圧電基板３上における微小ギャップ１１の形成場所が相違し、他の点は同様である。すなわち、微小ギャップ１１は、圧電基板３の表面であって弾性表面波Ｗが励振されない領域に形成されている。圧電基板３の長手方向に沿った中央の領域３１は、弾性表面波Ｗが伝搬する領域であり、領域３１の両側の領域には弾性表面波Ｗは存在しない。この弾性表面波Ｗが存在しない片側の領域に、液体Ｍを保持して誘導する領域Ａ１が形成されている。また、液供給部材４における霧化領域３０側の端部には、圧電基板３の中心線に向かう突出部が形成されており、その突出部の下面に微小ギャップ１１が連続して形成されている。つまり、微小ギャップ１１は、霧化領域３０の近傍においてのみ、弾性表面波Ｗが伝搬する領域に形成されている。なお、図６（ａ）には、液体容器７が図示されている。液供給部材４の端部Ｐ側から垂下する部材によって、液体容器７から領域Ａ１に液体Ｍが供給される。

本実施形態の弾性表面波霧化装置１によれば、液体Ｍを押し戻そうとする弾性表面波Ｗからの抵抗を受けることなく計算どおりに液体Ｍを霧化領域３０に誘導できる。前述したように、弾性表面波Ｗは、表面に存在する液体に対して、弾性表面波Ｗの伝搬方向に移動させるような力を及ぼすところ、本実施形態の微小ギャップ１１によれば、効率良く液体Ｍを霧化領域３０に誘導でき、また、霧化領域３０を局在させることができる。逆に、液供給部材４における圧電基板３の中心線に向かう突出部を、圧電基板３の長手方向に複数設けることにより、霧化領域３０を複数、分布させることもできる。また、本実施形態においては、液供給部材４を圧電基板３の片側に配置した例を示したが、液供給部材４を圧電基板３の両側に配置するようにしてもよい。

（第４の実施形態）
図７、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、第１乃至第３の実施形態とは、支持プレート６の構造が相違し、他の点は同様である。すなわち、本実施形態の支持プレート６は、圧電基板３の表面におけるパターン電極２が形成されている領域と部材間ギャップが形成されている領域Ａ１，Ａ２とを互いに離間させる領域の裏面に間隙６０を形成するように設けられている。間隙６０は、支持プレート６に形成した溝６１によって形成される。

本実施形態の弾性表面波霧化装置１によれば、圧電基板３の裏面の間隙６０が毛細管現象による液体の誘導を遮断するので、圧電基板３の裏面に液体Ｍが漏れ込んだとしても、液体Ｍが裏面を伝ってパターン電極２が形成されている領域に達するということがなく、パターン電極２のショートや劣化などの不具合を防止できる。

（第５の実施形態）
図９、図１０は第５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、第１乃至第４の実施形態とは、接点治具５の構造が相違し、他の点は同様である。すなわち、本実施形態の接点治具５は、圧電基板３の表面に対してパターン電極２側から見てパターン電極２に近い側に大きいギャップ５３、遠い側に小さいギャップ５２が形成されるように構成され、これらのギャップ５２，５３によってパターン電極２と霧化領域３０とを離間させている。

本実施形態の弾性表面波霧化装置１によれば、パターン電極２の霧化領域３０側の大小のギャップ５２，５３によって、パターン電極２への液体の接近を防止できるので、パターン電極２のショートや劣化などの不具合を防止できる。

以上、各実施形態を説明したが、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、上述した各実施形態の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。

１弾性表面波霧化装置
２パターン電極
３圧電基板
４液供給部材
５接点治具
６支持プレート
１１微小ギャップ
１２大きいギャップ
３０霧化領域
５１電極ピン
６０間隙
Ｓ表面
Ｍ液体
Ｗ弾性表面波

Claims

高周波電圧の印加によって弾性表面波を励振するパターン電極を表面に有する圧電基板と、前記圧電基板の表面に液体を供給する液体供給手段と、を備え、前記液体供給手段によって前記圧電基板の表面に供給される液体を前記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、
前記液体供給手段は、前記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ことを特徴とする弾性表面波霧化装置。
前記微小ギャップは、前記圧電基板の表面に対向する前記液供給部材の表面を粗化して成る凹凸によって形成され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。
前記微小ギャップは、前記圧電基板の表面であって前記弾性表面波が励振されない領域に形成され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。
前記圧電基板を裏面から支持する支持プレートを備え、
前記支持プレートは、前記圧電基板の表面における前記パターン電極が形成されている領域と前記部材間ギャップが形成されている領域とを互いに離間させる領域の裏面に間隙を形成するように設けら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。
前記パターン電極に電圧を印加するための電極ピンを有して前記圧電基板上に装着される接点治具を備え、
前記接点治具は、前記圧電基板の表面に対して前記パターン電極側から見て該パターン電極に近い側に大きいギャップ、遠い側にこの大きいギャップよりも小さいギャップが形成されるように構成され、前記パターン電極と霧化領域とを離間させていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の弾性表面波霧化装置。