JP2002166226A - 霧化装置用圧電共振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】霧化効率の高い圧電共振器でありながら、量産
性が高くまた信頼性の高い霧化装置用圧電共振器を供給
する。 【解決手段】円環状の圧電基板１２と、圧電基板１２の
両主面に形成された一対の励振用電極１１，１３と、圧
電基板１２の一方主面側から配設され、霧化用の細孔を
設けた振動板１４とを有し、振動板１４の一方主面側と
圧電基板１２の一方主面に形成した励振電極１１とが半
田１５を介して接続された霧化装置用圧電共振器１にお
いて、励振電極１１は、圧電基板の一方主面の全領域に
形成すると共に、励振電極１３は圧電基板１２の他方主
面の外周側領域と内周側領域を除く領域に形成した構成
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、円環状の圧電基
板の両主面に形成した励振電極間に高周波電圧を印加
し、円環状の圧電基板の内周側主面に半田接合した微細
な穴の開いた振動板を超音波振動させることによって、
この微細な穴から芳香剤などの液体を霧化する霧化装置
用圧電共振器に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】 圧電振動子を使った超音
波霧化装置としては、ボルト締ランジュバン型振動子を
応用した超音波霧化装置およびネブライザーが挙げられ
る。ボルト締ランジュバン型振動子による霧化装置は数
１０kHzという周波数の超音波を利用したもので、多量
の霧を発生させるという長所を有するが、構造が複雑で
素子が大がかりであるという短所をあわせもっている。

【０００３】一方、ネブライザーは、容器の底などに圧
電振動子を取り付けて、MHz領域の超音波振動を発生さ
せ、容器内の液面に微細気泡を発生させ、液面からの霧
化を促すもので、粒子が微小で均一性に優れるという長
所を有するものの、霧化効率が悪く、小電力で多量の霧
を発生させるのが難しいという短所をもつ。

【０００４】このような技術に対し特許２，５９９，８
４４号には、中央が厚み方向に貫通した円環状の圧電共
振器を用い、その貫通孔を覆い、かつ、中央部に微細な
穴を多数個あけた振動板を取り付けて複合振動体を形成
し、その振動系の共振周波数に近い信号で駆動すること
により、小型で霧化効率の高い超音波霧化装置を得るこ
とができることが開示されている。

【０００５】例えば、振動板は厚みが５０μほどのニッ
ケル材からなり、直径が５．５ｍｍで中央部がドーム状
に成型され、ドームの頂部周辺には断面がテーパ状の細
孔を多数形成したものでその外周は圧電振動子の一方主
面に半田で接合される。

【０００６】ここで円環状の圧電共振器は、たとえば外
径が１０ｍｍ、内径が４．５ｍｍ、厚みが０．５ｍｍて
いどの円環状圧電基板の両主面に、金、銀やニッケルな
どの励振用電極を全面に被着形成したものである。

【０００７】しかしこの構造で圧電基板を形成しようと
すると、両主面全面に形成された励振用電極間に１〜２
ｋＶという高い電圧を印加して圧電特性を付与する必要
があるが、内外周端面で放電を起こしやすく、その衝撃
で圧電共振器が破壊されるなどの事故を発生しやすい。

【０００８】このような放電事故を防止するため、図６
（ａ）〜（ｃ）に示すように、量産上の電極パターンは
スクリーン印刷法やマスクを使った蒸着法等によって圧
電基板４２の内外周寸法に対して内側になるように、す
なわち圧電基板の外周と電極の外周間に無電極領域4６
を確保し、圧電基板の内周と電極内周間にも同様に無電
極領域４７を設ける必要がある。

【０００９】この無電極領域４６，４７は通常０．１〜
１ｍｍ前後で、電極形成時の圧電基板と電極パターンの
ズレや、ズレによって生じる電極材料の側壁への回り込
みにより両主面の電極間でのショートや、分極時のスパ
ーク、経時変化によるマイグレーションが発生するのを
防止している。すなわち信頼性の確保を行うものであ
る。

【００１０】しかしながら、近年の装置の小型化によ
り、上述のような無電極領域４６，４７を形成すること
で励振電極の幅が狭くなり、圧電基板の中に圧電特性に
関与しない領域が発生すればするほど霧化効率を低下す
るという問題点を生じた。

【００１１】また、図５（ａ）（ｂ）に示すように圧電
基板４２と振動板４４の接合を半田４５で行う場合、圧
電基板４２の内径部に半田付け不可能な圧電基板の無電
極領域４７があるため電極膜厚と半田層の厚みにより発
生する１００μていどの隙間４９が生じていた。

【００１２】この隙間が存在することによって、圧電基
板と振動板からなる圧電共振器の共振特性が悪化し、ま
た液体が隙間に浸透することにより性能の低下が生じる
という問題が発生する。

【００１３】本発明は上述した問題点に鑑みて案出され
たものであり、霧化効率の高い圧電共振器でありなが
ら、量産性が高くまた信頼性の高い圧電共振器を提供す
ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに本発明は、中央が厚み方向に貫通した円環状の圧電
基板と、該圧電基板の両主面に形成された一対の励振用
電極と、前記圧電基板の一方主面側に前記貫通孔を覆う
ように配設され、かつ、中央部に霧化用の細孔を設けた
振動板とを有し、前記振動板の一方主面側と前記圧電基
板の一方主面に形成した励振電極とが半田を介して接続
された霧化装置用圧電共振器において、前記圧電基板の
一方主面に形成する励振電極は、その全領域に形成する
と共に、前記圧電基板の他方主面に形成する励振電極
は、その外周側領域と内周側領域を除く領域に形成した
ことを特徴とする霧化装置用圧電共振器を提供する。

【００１５】本発明の構成によれば、圧電基板の一方主
面の全領域に励振電極が形成され、他方主面には外周側
領域と内周側領域を除く領域に励振電極が形成されてい
るので、圧電特性が向上して振動板の振動を助けること
ができ、霧化効率を上げることができるものである。こ
れにより両方主面に全面電極を形成した場合と差のない
霧化装置用の圧電共振器を提供することができる。

【００１６】このような作用は以下のようにして起こる
ことが推定される。即ち、圧電基板の一方主面の全領域
に形成した励振電極周辺は大きな伸び縮みをしようと
し、他方主面の無電極領域を持った励振電極の周辺では
相対的に小さな変形にとどまるため、圧電基板の厚み方
向で伸縮量に差が生じ、圧電基板は基板主面に対して凹
凸の変形運動を発生させ、結果として内周側に取り付け
られた振動板の振動を助けることになり霧化効率を高め
るものである。

【００１７】また、圧電基板の一方主面に形成された励
振電極の内周側に前記半田を接続したことにより、圧電
基板と振動板に隙間が形成されないため、波形分割がな
く、また霧化したい液を付着させたときに共振点がシフ
トしない良好な振動特性を得ることができる。

【００１８】結局、圧電共振器の他方主面に無電極領域
を持った圧電共振器にすることで、圧電基板への電極形
成を容易にするとともに、分極操作において圧電基板を
破損する事故を防止し、量産性の高い圧電共振器を提供
することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図を用いて
説明する。図１は本発明の霧化装置用圧電共振器を説明
する図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）に
示すＡ−Ａ線断面図である。図2は霧化装置用圧電共振
器に用いる圧電共振子を説明する3面図であり、（ａ）
はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、
（ｃ）は底面図である。

【００２０】本発明の霧化装置用圧電共振器１は、円環
状の圧電基板１２の両主面に励振電極１１，１３が形成
された圧電振動子１０と、圧電基板１２の一方主面側に
振動板１４とを配置し、その振動板１４と振動電極１１
とが半田により固着して構成されている。図２に示すよ
うに円環状の圧電基板１２は外径１０ｍｍ、内径４．５
ｍｍ、厚み０．５ｍｍで、その両面の電極は金、銀、ニ
ッケル等の電極材料を厚膜法による印刷焼付けや、蒸着
法などによって形成されている。形成される振動電極１
１は、圧電基板１２の一方主面に形成され、この面に振
動板１４が半田により固着される。振動電極１１は円環
状の圧電基板１２の一方主面全面に形成される。即ち圧
電基板の一方主面と同寸法の電極１１が形成されてい
る。また、励振電極１３は圧電基板１２の他方主面に圧
電基板１２の寸法より小さく形成されている、圧電基板
１２の他方主面の外周側及び外周側には長さが０．１ｍ
ｍ〜１．０ｍｍの無電極領域１６，１７が設けられてい
る。この無電極領域１６，１７は圧電基板１２の厚み１
８によって異なる。これは分極時の印加電圧が圧電基板
の厚みによって異なるためで分極時のスパーク防止のた
め、厚み１８が薄いと分極電圧も低く無電極領域を小さ
くし、逆に厚み１８が厚くなると分極電圧が高くなるこ
とから無電極領域を大きくする必要がある。圧電基板１
２の０．５ｍｍ厚みに対しては無電極領域１６,１７を
０．５ｍｍにとる。

【００２１】振動板１４は厚みが５０μほどのニッケル
材からなり、直径が５．５ｍｍで中央部がドーム状に成
型され、ドームの頂部周辺には断面がテーパ状の細孔
（不図示）を多数形成したものである。

【００２２】図１（ｂ）に示すように、圧電振動子１０
にその貫通孔を覆うように振動板１４を配置して、圧電
振動子１０の振動電極１１と振動板１４外周表面とを半
田１５で固着させた構造が示される。半田１５を接続す
る位置としては圧電基板１２の一方主面に形成された励
振電極１１の内周側から外周側にかけて形成されてい
る。

【００２３】これにより振動板１４の固着側の振動電極
１１内周側は圧電基板１２と同寸法のため振動板と圧電
共振器間に無電極領域が生じなく大きな共振を得ること
ができ圧電基板１２の振動を効率よく振動板１４に伝達
することができる。また、圧電基板１２と振動板１４の
間に隙間が存在せず使用時の液体の浸透がないため、共
振特性の変化がなく、霧化性能の低下を防ぐことが出来
る。

【００２４】このように構成された霧化装置用圧電共振
子の動作については、圧電振動子１０の両主面に形成さ
れた励振電極１１，１３間に高周波電圧を印加すると、
圧電基板１２は直径が広がったり縮んだりする運動を起
こす。その運動は振動板１４に伝えられて振動板１４の
中央に形成されているドーム部を上下させる運動を生じ
る。これによりドーム内側（圧電基板１２の貫通孔）に
保液材から供給される芳香剤が０．０１程度の細孔から
放出されて霧化されてゆく。また圧電基板１２の両主面
に幅の異なる電極１１，１３があるため、両主面の伸縮
度合いが異なり内周部が主面に対して面方向に前後する
振動を発生し、振動板の前後運動を助長して霧化効率を
高めることができる。

【００２５】ここで、霧化器の詳細は示していないが、
液体供給手段としてスポンジやフェルトなどの保液材を
用いて振動板１４の下面に液体が供給される。なお、圧
電基板の両主面に無電極領域を持った従来構造の圧電基
板を用いても、振動板との隙間４９を埋める材料を付与
しても類似の効果を得ることができる。たとえばガラス
粒子や金属粒子をフィラーとして含むエポキシ接着剤や
フェノール系接着剤を塗布して硬化させることで、共振
波形の分割を抑えることができる。ただしこの場合は芳
香剤の中に含まれる有機溶剤により接着強度が低下しな
いことを十分に確認する必要がある。

【００２６】図３に本発明の霧化装置用圧電共振子１と
励振電極１１内周部と圧電基板１２の一方主面内周部と
の隙間が大きくなったときの共振特性が示される。縦軸
がインピーダンスで横軸が周波数である。隙間がない場
合（Ａ）は１４５ｋＨｚ付近に共振が見られるが、無電
極領域４６，４７が０．３ｍｍの場合（Ｂ）、０．５ｍ
ｍの場合（Ｃ）と増加すると、（Ｂ）、（Ｃ）に示すよ
うに共振波形が分割されるとともに、共振波形が小さく
なり、主共振点（１４２ｋＨｚ付近）における共振抵抗
の値が高くなって所定の入力に対する霧化効率が落ちる
事がわかる。また共振周波数が接近して複数あるため周
波数飛びが発生し、外乱で発振しなくなるなどのミスマ
ッチを起こし、やはり霧化効率が低下している。

【００２７】また図４に霧化装置用圧電共振器１に液体
が付着した場合の影響を見ている。図５、６で記載した
隙間４９のない本発明の構成の場合（Ａ）は殆ど影響が
ないのに対して隙間４９を大きくとった場合（Ｂ）の共
振波形は低周波側に大きくシフトすることがわかる。液
体としてアルコールが付着したときの状況を示すが液付
着の有無により影響を受けている。このとき圧電基板と
電極間の無電極領域４６，４７が０．５ｍｍ時のアルコ
ール付着時の共振特性の変動で、実線は初期値、鎖線は
アルコール付着１時間後を示す。

【００２８】図４より、圧電振動子１０と振動板１４間
に隙間が生じていることで液が浸透し、特性が変動して
いることがわかる。共振周波数がずれると所定の駆動用
の発振回路からの信号と合わず十分な霧化効率を達成す
ることができない。

【００２９】

【発明の効果】本発明の霧化装置用圧電共振器は、円環
状の圧電基板の一方主面全域に励振電極を形成すると共
に、他方主面に周囲に無電極領域をもつ励振電極を形成
することで、圧電振動子の圧電特性が向上して振動板の
振動を助けることができ、霧化効率を上げることができ
るものである。これにより両方主面に全面電極を形成し
た場合と差のない霧化装置用の圧電共振器を提供するこ
とができる。

【００３０】また、圧電基板の他方主面には、十分な無
電極領域があるため、励振電極を形成しても高電圧を印
加する分極工程で不良発生を防止することができる。従
って、霧化装置用圧電共振器の加工が容易で、高い歩留
まりで製造することができるため安価に圧電共振器を量
産することができる。また特性面でも小電力で高い霧化
効率を得ることができる。

【００３１】また、圧電基板の一方主面全域に形成した
励振電極の内周側から外周側にかけて半田領域を形成し
て振動板を取り付けるという構造を採用しているので、
圧電基板と振動板に隙間が形成されないため、波形分割
がなく、また霧化したい液を付着させたときに共振点が
シフトしない良好な振動特性を得た霧化装置用圧電共振
器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の霧化装置用圧電共振器であり（ａ）は
正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

【図２】本発明の圧電振動子を示す３面図であり、
（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面
図、（ｃ）は底面図である。

【図３】（Ａ）は圧電基板と振動板との間に隙間が無い
場合、（Ｂ）隙間が０．３ｍｍの場合、（Ｃ）０．５ｍ
ｍの場合の共振特性を説明する図である。

【図４】本発明の霧化装置用圧電共振器に液体が付着し
た場合に共振特性の影響を示し、（Ａ）は隙間が無い場
合、（Ｂ）は隙間を形成した場合を示す。

【図５】従来の霧化装置用圧電共振器であり（ａ）は正
面図、（ｂ）は中央縦断面図である。

【図６】従来の圧電振動子を示す３面図であり、（ａ）
はその平面図、（ｂ）は中央縦断面図、（ｃ）は底面図
である。

【符号の説明】

１１，１３：励振電極 １２：圧電基板 １４：振動板 １５：半田 １６，１７：無電極領域

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中央が厚み方向に貫通した円環状の圧電
   基板と、該圧電基板の両主面に形成された一対の励振用
   電極と、前記圧電基板の一方主面側に前記貫通孔を覆う
   ように配設され、かつ、中央部に霧化用の細孔を設けた
   振動板とを有し、前記振動板の一方主面側と前記圧電基
   板の一方主面に形成した励振電極とが半田を介して接続
   された霧化装置用圧電共振器において、 前記圧電基板の一方主面に形成する励振電極は、その全
   領域に形成すると共に、前記圧電基板の他方主面に形成
   する励振電極は、その外周側領域と内周側領域を除く領
   域に形成したことを特徴とする霧化装置用圧電共振器。
2. 【請求項２】 前記圧電基板の一方主面に形成された励
   振電極の内周側に前記半田を接続したことを特徴とする
   請求項１記載の霧化装置用圧電共振器。