(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波霧化装置において、
圧電材料から成る基板と、
前記基板の表面に弾性表面波を生成するため該基板上に設けられた一対の櫛形電極と、
前記基板の表面に生成される弾性表面波によって霧化する液体を該基板上に供給する液体供給部と、を備え、
前記液体供給部は、前記基板の表面に対向して配置され、該基板上に供給される液体を該液体の表面張力によって膜状に分布させるための供給部材を備え、
前記供給部材は、前記基板の表面から一様の高さを隔てて該基板の表面に対向し、該基板の表面との間に隙間空間を形成する面を有し、
前記一対の櫛形電極は、互いに噛み合わされた櫛歯を有し、前記櫛歯の互いの噛み合わせ長が、該櫛形電極によって生成される弾性表面波の波長の１０倍以下とされ、
前記供給部材は、前記基板の表面に生成される弾性表面波の進行方向に直交する方向における前記隙間空間を形成する面の長さが前記櫛歯の互いの噛み合わせ長と同等以下となるように構成されていることを特徴とする弾性表面波霧化装置。
【請求項２】
前記櫛歯の互いの噛み合わせ長は、前記櫛形電極によって生成される弾性表面波の波長の５倍以上と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。
【請求項３】
前記供給部材は、膜状に分布した液体に前記櫛形電極が常態的に曝されることがないように、前記櫛形電極から離間して備えら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。
【請求項４】
前記櫛歯の互いの噛み合わせ長は、前記一対の櫛形電極の各櫛歯において一定であ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。
【請求項５】
前記一対の櫛形電極は、一方向性電極を構成するための反射用の電極を備え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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波霧化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一対の櫛形電極が形成された圧電材料から成り、櫛形電極によって弾性表面波が生成される基板を備え、液体供給手段によって基板の表面に供給される液体を弾性表面波によって霧化する弾性表面波霧化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この弾性表面波霧化装置は、弾性表面波の波面に沿う細長い液体分布を表面張力により形成して液体供給量と霧化量のバランスを保つことにより、霧化に関与しない液体の存在を抑制し、より少ない消費電力で大量の微細粒子を安定して噴霧することを意図している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１０４９７４号公報
【発明の開示】
【０００４】
しかしながら、上述したような弾性表面波霧化装置においては、液体の供給については考慮しているものの、弾性表面波の発生側すなわち櫛形電極側の構成については、なお改善の余地があると考えられる。
【０００５】
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、波の振幅が大きく、かつ広がりが少ない状態の弾性表面波を生成して伝搬させ、エネルギ効率良く安定して霧化することが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。
【０００６】
上記課題を達成するために、本発明の弾性表面波霧化装置は、圧電材料から成る基板と、基板の表面に弾性表面波を生成するため基板上に設けられた一対の櫛形電極と、基板の表面に生成される弾性表面波によって霧化する液体を基板上に供給する液体供給部と、を備え、液体供給部は、基板の表面に対向して配置され、基板上に供給される液体を液体の表面張力によって膜状に分布させるための供給部材を備え、供給部材は、基板の表面から一様の高さを隔てて基板の表面に対向し、基板の表面との間に隙間空間を形成する面を有し、一対の櫛形電極は、互いの櫛歯を噛み合わされており、櫛歯の互いの噛み合わせ長は、櫛形電極によって生成される弾性表面波の波長の１０倍以下とされ、供給部材は、基板の表面に生成される弾性表面波の進行方向に直交する方向における隙間空間を形成する面の長さが櫛歯の互いの噛み合わせ長と同等以下となるように構成されていることを特徴とする。
【０００７】
この弾性表面波霧化装置において、櫛歯の互いの噛み合わせ長は、櫛形電極によって生成される弾性表面波の波長の５倍以上とされていることが好ましい。
【０００８】
この弾性表面波霧化装置において、供給部材は、膜状に分布した液体に櫛形電極が常態的に曝されることがないように、櫛形電極から離間して備えられていることが好ましい。
この弾性表面波霧化装置において、櫛歯の互いの噛み合わせ長は、一対の櫛形電極の各櫛歯において一定であることが好ましい。
この弾性表面波霧化装置において、一対の櫛形電極は、一方向性電極を構成するための反射用の電極を備えていることが好ましい。
【０００９】
本発明の弾性表面波霧化装置によれば、開口幅を適正化することにより、櫛形電極によって生成される弾性表面波が広がらず、かつ大きい振幅が維持されるので、基板の表面における霧化領域を限定でき、かつエネルギ効率良く霧化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１（ａ）は本発明の一実施形態に係る弾性表面波霧化装置についての平面図であり、図１（ｂ）は同側面図であり、図１（ｃ）は同装置の霧化領域の要部断面図である。
【図２】図２（ａ）は一対の櫛形電極における櫛歯の噛み合わせ長が長い（開口幅が広い）場合の平面図であり、図２（ｂ）は同噛み合わせ長が短い（開口幅が狭い）場合の平面図である。
【図３】図３は弾性表面波霧化装置における弾性表面波の振幅と櫛形電極の開口幅との関係を、櫛形電極からの距離を変えた３点について示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は開口幅Ｄ＝２．５λの場合の弾性表面波の実測による振幅の分布図であり、図４（ｂ）は開口幅Ｄ＝５λの場合の分布図であり、図４（ｃ）は開口幅Ｄ＝１０λの場合の分布図であり、図４（ｄ）は開口幅Ｄ＝２０λの場合の分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一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）（ｃ）は弾性表面波霧化装置１を示す。弾性表面波霧化装置１は、圧電材料から成る基板２と、基板２の表面Ｓに弾性表面波Ｗを生成するため基板２上に設けられた一対の櫛形電極２１と、表面Ｓに生成される弾性表面波Ｗによって霧化する液体を基板２上に供給する液体供給部３と、を備えている。弾性表面波Ｗは、櫛形電極２１に高周波電圧を印加することにより生成される。一対の櫛形電極２１を備えた基板２は弾性表面波Ｗを生成する振動子を構成する。また、表面Ｓには、反射用の櫛形電極２２が櫛形電極２１に隣接配置されている。ここで、説明のため、櫛形電極２１の櫛歯の長手方向を方向Ｙとし、櫛歯に垂直な方向を方向Ｘ（右方向）とし、方向Ｘにおける原点Ｘ＝０を、方向Ｘ側の最外の櫛歯の最外位置とする。
【００１２】
基板２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圧電材料で構成される。この圧電材料は、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）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。一対の櫛形電極２１は、圧電材料の表面に２つの櫛形の電極の各櫛歯部分を互いに噛み合わせて形成した電極（ＩＤＴ：インター・ディジタル・トランスジューサ）である。櫛形電極２１の互いに隣り合う櫛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λの半分の長さのピッチで配列されている。
【００１３】
一対の櫛形電極２１の櫛歯の互いの噛み合わせ長、すなわち櫛歯が交差した幅は、櫛形電極２１によって生成される弾性表面波Ｗの幅を規定する寸法であり、この噛み合わせ長によって、櫛形電極２１の開口幅Ｄが定義される。この開口幅Ｄ（噛み合わせ長）は、櫛形電極２１によって生成される弾性表面波の波長λの５倍乃至１０倍とされる。なお、櫛形電極２１の各櫛歯は互いに同じ長さを有し、櫛歯の互いの噛み合わせ長は各櫛歯において一定である。この開口幅Ｄについては、詳細に後述する（図２、図３、図４参照）。
【００１４】
液体供給部３は、液体容器３１と、液体容器３１から液体４を導出して表面Ｓに供給する液導出部材３２と、基板２の表面Ｓに対向配置され、液体を膜状に分布させるための供給部材３０と、を備えている。供給部材３０は、基板２上に供給される液体４を液体４の表面張力によって基板２の表面Ｓに膜状に分布させるための隙間空間Ｇを形成する。供給部材３０は、細長い部材であって、基板２の表面Ｓとの間に隙間空間Ｇを形成する面を有し、その面は基板２の表面Ｓから一様の高さｇを隔てて、表面Ｓに近接して対向している。また、供給部材３０は、その長手方向を基板２の表面Ｓに生成される弾性表面波Ｗの進行方向Ｘに直交する方向Ｙに向けており、方向Ｙにおける長さ（隙間空間Ｇを形成する面の長さ）が開口幅Ｄと同等以下となるように、構成されている。言い換えると、隙間空間Ｇは、弾性表面波Ｗの進行方向Ｘに直交する幅方向Ｙの幅が開口幅Ｄと同等以下となるように形成される。また、供給部材３０は、方向Ｙにおける隙間空間Ｇの全幅が櫛形電極２１から望む開口幅Ｄの大略内部に収まるように配置されている。液体４は、この隙間空間Ｇに自身の表面張力によって保持されることにより、表面Ｓ上に膜状に分布する。従って、方向Ｙにおける液体４の分布は、開口幅Ｄの大略内部に収まる。供給部材３０は、液体４を漏出させる細孔を有するパイプを用いて構成したり、表面に微細構造を有して毛細管現象によって液体４を輸送する部材、例えば棒材、板材などを用いて構成したりすることができる。
【００１５】
次に、弾性表面波霧化装置１の動作を説明する。櫛形電極２１に高周波電圧印加用の電気回路２３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、基板２の表面にレイリー波と呼ばれる弾性表面波Ｗが励振される。櫛形電極２１によって励振された弾性表面波Ｗは、開口幅Ｄに基づく幅で生成され、櫛形電極２１の両側方向すなわち、方向Ｘおよびその反対方向（左方向）に伝搬する。励振された弾性表面波Ｗの振幅は、櫛形電極２１に印加する電圧の大きさで決まる。左方向に伝搬する弾性表面波は、櫛形電極２１の左方に設けられた反射用の櫛形電極２２によって反射されて戻される。反射用の櫛形電極２２は、弾性表面波を全反射する、いわゆる反射器を構成する。櫛形電極２１は、この反射用の櫛形電極２２と組み合わされて、Ｘ方向にのみ伝搬する弾性表面波Ｗを生成する、いわゆる一方向性電極を構成する。なお、一方向性電極の構成は、本実施形態に示したものに限られない。
【００１６】
液体４は、液体供給部３によって基板２の表面Ｓに供給され、表面Ｓを伝搬して来た弾性表面波Ｗによって霧化され、微粒子４１となって飛翔する。表面張力によって保持された液体４は、霧化によって消費されると、表面張力の作用により、液導出部材３２を介して自動的に補充される。弾性表面波Ｗによる霧化は、液体４の表面を伝搬する表面張力波（キャピラリ波）によって、液体４の表面から液滴が離脱飛翔することによって行われる。従って、液体４の膜厚が厚いと弾性表面波のエネルギが液体４の表面に到達する前に減衰してしまい、霧化することができない。そこで、弾性表面波の振幅をできるだけ高くすると共にエネルギを液体４に集中して供給すること、および、できるだけ液体４の膜厚を薄くすることが必要である。液体４への高いエネルギの集中は開口幅Ｄの適正設計によって行うことができ、液体４の膜厚は上述の高さｇを調整することによって、さらには、表面Ｓの粗度や液体との親和性などを調整することによって最適化することができる。
【００１７】
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４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。
【００１８】
次に、開口幅Ｄを、波長λの５倍乃至１０倍とすることについて説明する。開口幅Ｄの適正化は、基板２の表面Ｓにおける霧化領域つまり液体４が存在して霧化が行われる領域の位置の適正化と共に行われる。すなわち、櫛形電極２１が液体４に常態的に曝されると電極の劣化が進むので、霧化領域は櫛形電極２１からある程度離間して設定する必要がある。また、霧化領域が櫛形電極２１から離れ過ぎると、弾性表面波の広がりや減衰によって霧化の効率が悪くなるので、霧化領域は櫛形電極２１から離れ過ぎないように設定する必要がある。このように霧化領域を設定することを前提として、以下のように開口幅Ｄの設定が行われる。霧化領域は、供給部材３０によって形成される隙間空間Ｇの形状および配置によって設定される。
【００１９】
図２（ａ）（ｂ）に示すように櫛形電極２１の櫛歯の互いの噛み合わせ長を変えて開口幅Ｄを変えた基板２を作成し、レーザドップラ振動計によって櫛形電極２１の方向Ｘ側における弾性表面波の振幅Ａの分布を測定し、図３、図４に示す測定結果が得られた。測定に用いた基板２は、開口幅Ｄを、Ｄ＝１λ，２．５λ，５λ，１０λ，２０λの５段階に変えたものである。図３に示す振幅Ａのグラフは、一対の櫛形電極２１の中心軸上における、Ｘ＝０λ，２５λ，５０λの３点における測定値を任意単位で示している。ここで、Ｘ＝０λ、すなわちＸ＝０における振幅Ａは、比較のために表示されているものであり、上述したように、櫛形電極２１を保護する観点から、このＸ＝０の近傍領域を霧化領域とすることはない。また、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、それぞれ、Ｄ＝２．５λ，５λ，１０λ，２０λについて振幅Ａの面分布を、互いに同じ広さの測定領域について示している。その測定領域の大きさは、方向Ｘで７０λ、方向Ｙで２０λである。また、櫛形電極２１に印加した高周波電圧の周波数はＭＨｚ帯であり、２０ＭＨｚから４００ＭＨｚにおいて同様の測定結果が得られている。
【００２０】
図３に示す振幅Ａは、Ｘ＝２５λ，５０λの２点における測定値に注目すると、開口幅Ｄの増加に対して増加して減少する山形の変化を示し、方向Ｘにおける位置が遠いほど低くなる傾向を示している。なお、Ｘ＝２５λ，５０λの２点における２曲線の平均曲線を求めてみると、より滑らかな山形形状が見られる。このような振幅Ａの変化は、櫛形電極２１における開口幅Ｄの範囲内の各点で生成される弾性表面波が、広がりながら方向Ｘに向けて伝搬する際に、互いに干渉する結果と理解される。また、図４により、波の干渉による振幅Ａの高まりと、波の伝搬と広がりに伴う振幅Ａの減衰の様子が見られる。図３において、開口幅Ｄが１０λを超えた領域で、振幅Ａが単調減少している。また、図４（ｄ）に示すように、開口幅Ｄが広すぎる場合、弾性表面波は、広がった状態で生成された小さい振幅値のまま伝搬推移している。これに対し、開口幅Ｄが１０λ以下においては、全般的に大きい振幅値の状態が得られている。これらの測定結果から、開口幅Ｄを、波長λの１０倍以下、すなわち、Ｄ≦１０λとすることが好ましいと結論される。
【００２１】
また、開口幅Ｄが５λより狭い場合、図３、図４（ａ）に示すように、Ｘ＝０近傍、すなわち最外の櫛歯近傍では大きな振幅値が得られるものの、伝搬に伴う広がりが大きいので、開口幅Ｄを波長λの５倍以上とすることがより好ましいと結論される。このように伝搬に伴う広がりが大きい場合、広がった状態の弾性表面波を用いることも考えられるが、霧化領域における振幅Ａを十分大きくするために発生源のエネルギ密度を高くすると、櫛形電極２１への負荷が過大になるので好ましくない。以上をまとめると次のようになる。弾性表面波霧化を効率良く行うために振幅Ａを大きく維持する必要があり、開口幅Ｄを狭めることにより波の振幅Ａを高め、開口幅Ｄを狭めることによって生じる波の広がりを、開口幅Ｄに対する適切な下限値以上に設定することにより回避することができる。つまり、開口幅ＤをＤ≦１０λとすることにより波の振幅Ａを高め、５λ≦Ｄとすることにより波の広がりを回避することができる。これにより、弾性表面波霧化装置１は、エネルギ効率良く安定して霧化することができる。また、隙間空間Ｇを、基板２の表面Ｓに生成される弾性表面波Ｗの進行方向に直交する幅方向の長さを開口幅Ｄと同等以下となるように形成することにより、弾性表面波Ｗの広がりに見合った幅で分布する液体４を霧化でき、液体４の有効利用を図ることができる。開口幅Ｄの範囲は、波長λの５倍乃至１０倍が好ましいが、この範囲よりも数波長分広い範囲とすることも許容される。
【００２２】
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、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ことから、櫛形電極２１を間欠的に励振することにより、パルス状の弾性表面波Ｗを生成して、パルス状に霧化することもできる。パルス動作により、パワーを集中して濃度の濃い霧を発生させることができる。また、液体４の供給は、供給部材３０を用いることに代えて、液体４を表面Ｓに滴下することや、基板２の一部を液体中に浸して液面と表面Ｓとの界面における表面張力による這い上がり現象を用いたりすることで行ってもよい。
【００２３】
本願は日本国特許出願２０１０−１６５３７９に基づいており、その内容は、上記特許出願の明細書及び図面を参照することによって結果的に本願発明に合体されるべきものである。
【符号の説明】
【００２４】
１    弾性表面波霧化装置
２    基板
２１    櫛形電極
２２    櫛形電極（反射用の電極）
３    液体供給部
３０    供給部材
ｇ    高さ
Ｄ    開口幅（噛み合わせ長）
Ｇ    隙間空間
Ｓ    表面
Ｗ    弾性表面波
λ    波長
【図１】
0005861121.tif 000002
【図２】
0005861121.tif 000003
【図３】
0005861121.tif 000004
【図４】
0005861121.tif 000005