JP3527998B2

JP3527998B2 - 超音波成膜装置

Info

Publication number: JP3527998B2
Application number: JP28773593A
Authority: JP
Inventors: 耕司戸田
Original assignee: 耕司戸田
Priority date: 1993-10-22
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 2004-05-17
Anticipated expiration: 2019-05-17
Also published as: JPH07116575A

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波励振器により発
生させた弾性振動により溶液を霧化し、その霧を基板の
一方の板面に噴霧し、前記霧に含まれる物質から成る薄
膜を前記板面上に形成する超音波成膜装置に関する。

【従来の技術】物質を薄膜化する方法には湿式法と乾式
法がある。湿式法の代表的なものとしてラングミュア・
ブロジェット法（ＬＢ法）が挙げられ、ＬＢ法は有機非
線形光学材料などを得るための有力な方法として用いら
れている。乾式法の代表的なものとしては真空蒸着法な
どが挙げられ、真空蒸着法は無機半導体や有機半導体の
分野に幅広く応用されている。ＬＢ法は親水基および疎
水基の両方を有する分子から配向性を有する単分子層を
気水界面において作成し、その単分子層を非対称に積層
することにより非対称配向構造を有する薄膜を基板上に
形成するというものである。ＬＢ法によれば分子鎖が基
板に対し垂直に配列した構造が得られ、有機低分子薄
膜、高分子薄膜あるいはそれらが交互に累積した有機超
格子薄膜の形成などが可能である。しかしながら、大き
な膜面積を有する薄膜が得られにくく、高度の非対称性
を有する薄膜を数μｍの膜厚にまで積層することが難し
いという欠点を有する。また、概して装置も大型であ
る。真空蒸着法は真空中で物質を蒸発させ、基板上に付
着させて薄膜を形成するというものである。たとえば有
機化合物を蒸着する場合、基板の温度や蒸着速度などの
蒸着条件を満たせば分子鎖が基板に対し垂直または水平
に配列した構造が得られ、単分子層が順次形成されＬＢ
膜と同様な薄膜の形成が可能である。また、ＬＢ法以上
に分子鎖の基板に対する配向制御が可能である。しか
し、蒸着条件の設定が難しく、高度の非対称性を有する
薄膜を数μｍの膜厚にまで積層することが難しく、その
うえ長時間を要するという欠点を有し、概して装置も大
型である。

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、物質
を薄膜化する新たな装置を提供することにあり、超音波
励振器により発生させた弾性振動により溶液を霧化し、
その霧を基板の一方の板面に噴霧し、前記霧に含まれる
物質から成る薄膜を前記板面上に短時間で形成すること
ができ、構造が簡単な超音波成膜装置を提供することに
ある。

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の超音波
成膜装置は、圧電振動子に多数の微小な貫通孔を有する
振動板を固着してなる超音波励振器を少なくとも１つ備
え、該超音波励振器により発生させた弾性振動により溶
液を霧化し、その霧を基板の一方の板面に噴霧し、前記
霧に含まれる物質から成る薄膜を前記板面上に形成する
超音波成膜装置において、前記圧電振動子は圧電磁器、
電極ＰおよびＱから成り、前記電極ＰおよびＱは前記圧
電磁器の厚さ方向に垂直な両端面のそれぞれに形成され
ており、前記電極Ｐは１組のすだれ状電極で成り、該す
だれ状電極の２つの端子Ｔ _Ｐ１およびＴ _Ｐ２のうちの一
方の端子Ｔ _Ｐ１と電極Ｑにおける端子Ｔ _Ｑとの間に前記
圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧を印
加することにより、前記超音波励振器を駆動する回路が
備えてあり、前記駆動回路は、直流電源と前記端子Ｔ
_Ｐ１との間に接続されている昇圧用のコイルと、出力電
圧端子が前記端子Ｔ _Ｐ１に接続され入力電圧端子が前記
端子Ｔ _Ｐ２に接続されることにより前記端子Ｔ _Ｐ２に現
われる圧電気を帰還電圧として受けるトランジスタとを
備え、前記駆動回路は、前記トランジスタを増幅素子と
し前記超音波励振器を共振回路とする発振回路を構成
し、前記圧電振動子の共振周波数は、該圧電振動子と前
記振動板との複合体における共振周波数にほぼ等しく、
前記薄膜を前記板面上に形成する手段は前記薄膜の膜厚
を制御する手段および前記薄膜の配向性を制御する手段
を含み、前記膜厚制御手段および前記配向性制御手段
は、前記霧の温度、前記霧の粒径および前記霧の量を制
御する手段と、前記霧が付着した前記基板を所定の温度
および圧力のもとにおく手段を含むことを特徴とする。
請求項２に記載の超音波成膜装置は、前記基板が石英ガ
ラスその他のガラス類、塩化カリウム、塩化ナトリウム
などの無機塩類、グラファイトなどの高分子化合物、圧
電セラミック、金属その他の物質で成ることを特徴とす
る。請求項３に記載の超音波成膜装置は、前記圧電振動
子が長さと幅の寸法比が１に近くしかも１に等しくない
矩形状の板または３辺のうちの２辺の寸法比が１に近く
しかも１に等しくない矩形状の角柱であって、前記振動
板は前記圧電振動子の前記電極ＰまたはＱを有する少な
くとも一つの端面上に一体的に連なって固着されている
ことを特徴とする。

【作用】本発明の超音波成膜装置は圧電振動子に振動板
を固着してなる超音波励振器を有する。圧電振動子と振
動板との複合体の共振周波数にほぼ等しい周波数を有す
る交流信号を圧電振動子に印加すると圧電振動子が振動
し、この圧電振動子の振動は振動板を振動させる。この
振動板に目的物質を含む溶液を供給すると、溶液は振動
板の振動により振動板の垂直上方に霧化される。その霧
を基板の一方の板面に付着させることにより、目的物質
から成る薄膜をその板面に容易に形成することができ
る。本発明の超音波成膜装置では薄膜の膜厚を制御する
手段および薄膜の配向性を制御する手段が備えられてい
る。膜厚制御手段および配向性制御手段は、霧化する溶
液の温度および霧の粒径並びに霧の量を制御する手段を
含むとともに、霧化された霧が付着した基板を所定の温
度および圧力のもとにおく手段を含む。従って、薄膜を
板面に形成する際、これらの手段を駆使することにより
目的の膜厚と配向性を有する薄膜を得ることができる。
なお、圧電振動子に引加する電圧を制御することによ
り、霧化量や霧の粒径を制御することも可能である。ま
た、同一の溶液に２種類あるいはそれ以上の種類の物質
を溶解させておくことにより、基板の板面上に２成分あ
るいはそれ以上の成分から成る混合物、またはそれらの
成分が反応することにより生成される化合物の薄膜を形
成することができる。さらに、超音波励振器を２つある
いはそれ以上設け、それぞれの超音波励振器によって別
々の物質を含む溶液を順次に霧化させる構造を採用する
ことにより、それぞれの溶液に含まれる成分によって形
成される積層状の薄膜を基板の板面上に形成することも
可能となる。このようにして、適当な条件のもとでの霧
化あるいは霧化後の処理により、基板の板面上における
重合反応などによる高分子薄膜の形成も可能となる。基
板が石英ガラスその他のガラス類、塩化カリウム、塩化
ナトリウムなどの無機塩類、グラファイトなどの高分子
化合物、圧電セラミック、金属その他の物質で成ること
により、基板に高機能性を有する薄膜を形成することが
可能となる。圧電振動子は圧電磁器並びにその圧電磁器
の厚さ方向に垂直な両端面にそれぞれ形成されている電
極ＰおよびＱから成り、この２つの電極のうちの一方が
１組のすだれ状電極で成る。このような簡単な構造の圧
電振動子の採用により超音波励振器を小型化できるばか
りでなく、高い効率で溶液を霧化することができる。ま
た、電極Ｐが１組のすだれ状電極で成り、そのすだれ状
電極における２つの端子のうちの一方と電極Ｑとの間に
圧電振動子を駆動する回路を設けることができる。この
駆動回路として２端子方式または３端子方式の自励式回
路などを採用することができる。このような自励式回路
を用いた場合、圧電振動子の共振周波数に周波数を自動
的に追尾させることが可能となる。また、回路構成が簡
単で小型であり、電源効率も良く、温度などの環境の変
化に対応しうる形での低消費電力駆動が可能となる。超
音波励振器を駆動するための回路には、直流電源と端子
Ｔ_Ｐ１との間に昇圧用のコイルが接続されている。ま
た、出力電圧端子が端子Ｔ_Ｐ１に接続され入力電圧端子
が端子Ｔ_Ｐ２に接続されたトランジスタを備えている。
このトランジスタは端子Ｔ_Ｐ２に現われる圧電気を帰還
電圧として受けるためのものである。このようにして、
超音波励振器の駆動回路は、トランジスタを増幅素子と
し超音波励振器を共振回路とする発振回路を構成してお
り、圧電振動子の共振周波数に周波数を自動的に追尾で
きるようにしている。そのうえ、コイルの逆起電圧を利
用した回路を備えることにより、電源電圧より高い電圧
で圧電振動子を駆動できるようにしている。この逆起電
圧回路はコイルの特性を利用することで高電圧を発生さ
せるもので、トランスの使用と比較して価格、重量およ
び容積の点で有利である。また、回路構成が簡単で小型
であり、電源効率及び周波数特性が良い等の特徴をもた
らすことができる。図１０は３端子方式の自励回路のブ
ロック図を示している。３端子方式とは、圧電振動子と
の接続のために３つの端子を有し、各端子を互いに独立
した目的に利用する方式である。圧電振動子の片側の電
極は電圧を印加するドライブ電極Ｄと、増幅器に電力の
一部をフィードバックするためのフィードバック電極Ｆ
に分割されており、もう一方の電極はグランド電極Ｇと
して接地されている。本発明の超音波成膜装置では圧電
振動子における電極Ｐが１組のすだれ状電極で成り、こ
のすだれ状電極がＤ電極およびＦ電極に相当し、端子Ｔ
_Ｐ１およびＴ_Ｐ２がそれぞれＤ電極およびＦ電極に設け
られた端子に相当する。また、電極Ｑがグランド電極Ｇ
に相当する。圧電振動子の厚さが薄い場合にも、本発明
が示すようにすだれ状電極を用いれば自励発振駆動が可
能である。図１０におけるこの方式は、パワーアンプで
１８０°だけ位相のシフトをするから、圧電振動子のＤ
電極とＦ電極間で位相が１８０°シフトする周波数で自
励発振する。圧電振動子として、長さと幅の寸法比が１
に近くしかも１に等しくない矩形板状構造または３辺の
うちの２辺の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩
形角柱状構造を採用することができる。このような構造
の圧電振動子を用いることにより、圧電振動子と振動板
との複合体の結合振動を増強することができる。従っ
て、圧電振動子の振動エネルギーが効率良く振動板に伝
搬し、霧化効率が促進される。また、このような圧電振
動子に対し振動板は圧電振動子の電極を有する少なくと
も一方の端面上に一体的に連なって固着されている。こ
のようにして、振動板は圧電振動子と振動板との固着部
分を固定端とする片持ち梁の形で振動する。従って、振
動板に供給された溶液はその弾性振動により振動板に垂
直な上方に向けて微小かつ均一な粒子で成る霧として効
率よく放散される。振動板には微細な多数の孔が設けら
れていることから、振動板に供給された溶液はその孔を
通して霧化される。孔を通しての霧化は粒子の微小性、
均一性を促し、しかも霧化効率を増大させることができ
る。その上、孔の一方の開口面積が他方の開口面積より
大きい構造を採用すれば、その大きい方の開口を入口側
とし小さい方を出口側とすることにより、孔の溶液通過
面積が入口側から出口側に向けて減少する。従って、溶
液が孔を通過するときに絞り作用を受ける。その結果、
粒子の径がさらに微小、均一になり、溶液の霧化作用が
促進され、霧の発生量が増加する。本発明の超音波成膜
装置では基板の一方の板面に溶液中の成分で成る薄膜を
形成する際、溶液は振動板に接触しさらに振動板に設け
られたの孔を通過する。このとき、超音波によって溶液
中には微小な大きさの空泡が生じる。この空泡の中は極
めて高温度に達することから、溶液が振動板の上部から
霧として放出される際には大きなエネルギーを保有す
る。このエネルギーは溶液中に含まれる物質のイオン化
を促進するので、基板の板面において形成される薄膜の
配向性に重要な役割を演ずることとなる。従って、高画
質でしかも超薄型の壁掛けテレビなどの実現を可能にす
る有機系エレクトロ・ルミネッセンス素子の基板への積
層方法として、本発明の超音波成膜装置を用いれば溶液
を霧状にして基板に噴霧することができるので最適の方
法といえる。

【実施例】図１は本発明の超音波成膜装置の一実施例を
示す断面図である。本実施例は圧電振動子１、振動板
２、支持具３、保液材４、自励式の駆動回路５、電源室
６、貯液室７、支持具８およびドーム９から成る。但し
図１では、駆動回路５は省いて描かれている。圧電振動
子１および振動板２から成る超音波励振器により貯液室
７中の溶液が霧化され、その霧は支持具８によって支持
された基板の一方の板面に噴霧され、その溶液中の成分
で成る薄膜がその基板の前記板面に形成される。貯液室
７には温度調節機能が取り付けられており、貯液室７中
の溶液の温度を上昇または下降させることが可能であ
る。従って、霧の温度を調整できる。また、電源室６に
はドーム９内の温度および圧力を調節する機能が取り付
けられている。支持具８は支持具３の上部に取り付けら
れており、振動板２と基板との距離が自由に調整できる
ようになっており、しかも基板自身の温度を上昇または
下降させる機能を備えている。図２は圧電振動子１およ
び振動板２から成る超音波励振器とその周辺の断面図で
ある。振動板２は圧電振動子１の一方の端面に圧電振動
子１と一体的に連なって固着されている。振動板２の下
端面には保液材４の上端部が接触していて、保液材４に
よって吸い上げられた溶液は振動板２に供給され、振動
板２の上方へ霧化される。図３は圧電振動子１および振
動板２の平面図である。圧電振動子１は圧電磁器１０、
電極Ｑ（図３では描かれていない）およびすだれ状電極
Ｐから成る。圧電磁器１０は矩形板状のＴＤＫ７２Ａ材
（製品名）で成り、その長さは１７ｍｍ、幅は２０ｍ
ｍ、厚さは１ｍｍである。圧電磁器１０の分極軸の方向
は厚さ方向に一致しており、この厚さ方向に垂直な両端
面のそれぞれに電極Ｑおよびすだれ状電極Ｐが形成され
ている。電極Ｑはアルミニウム薄膜で成り、圧電磁器１
０の一方の端面のほぼ全域を覆っている。すだれ状電極
Ｐはアルミニウム薄膜で成り、６対の電極指を有するも
ので、電極周期長は２ｍｍ、電極交叉幅は４．８ｍｍで
ある。電極Ｑには端子Ｔ_Ｑが取り付けられ、すだれ状電
極Ｐには端子Ｔ_Ｐ１およびＴ_Ｐ２が取り付けられてい
る。振動板２はニッケル製で、長さ２３ｍｍ、幅２０ｍ
ｍ、厚さ０．０５ｍｍである。振動板２は一方の板面の
長さ方向の端部において長さ２ｍｍ、幅２０ｍｍの接合
領域を有し、該接合領域は電極Ｑを介して圧電振動子１
に固着されている。図４は振動板２を板面に垂直な平面
で切断したときの部分拡大断面図である。振動板２には
その厚さ方向に貫通する微細な多数の孔１１が設けられ
ている。図４では孔１１の縦断面形状および寸法が示さ
れている。孔１１の形状はすり鉢状で、等しいピッチで
配列されており、一方の開口面積は他方の開口面積より
大きい。開口面積が大きい方を入口側としその直径は
０．１ｍｍで、開口面積が小さい方を出口側としその直
径は０．０１ｍｍである。図５は振動板２の部分拡大平
面図である。但し、振動板２を孔１１の出口側から見た
ときのもので、孔１１の形状、配列および寸法が示され
ている。図２の超音波励振器の駆動時、圧電振動子１と
振動板２との複合体の共振周波数にほぼ等しい周波数を
有する電気信号を端子Ｔ_Ｐ１を介して圧電振動子１に入
力すると、圧電振動子１に圧電的に振動が励振される。
振動板２を圧電振動子１の一方の端面上に一体的に連な
って固着させる構造を採用していることから、圧電振動
子１の振動に伴って振動板２は圧電振動子１との接合領
域を固定端とする片持ち梁の形で振動される。この振動
は屈曲振動であり液体の霧化に有効に機能する。支持具
３の圧電振動子１との接触部は圧電振動子１に比べて音
響インピーダンスが低い発泡スチロール等で成り、圧電
振動子１からの超音波が支持具３自身に伝搬し散失され
るのを防いでいる。保液材４は圧電振動子１に比べて音
響インピーダンスが低くしかも吸液能力が大きいスポン
ジ等で成り、圧電振動子１からの超音波が保液材４を介
して溶液中に伝搬し散失するのを防いでいる。このよう
にして、振動板２は効率良く振動される。振動板２の振
動に伴い、保液材４によって吸い上げられた溶液は毛細
管現象により孔１１に導かれる。溶液が孔１１を通過す
るとき、孔１１における溶液の通過面積はその入口側か
ら出口側に向けて減少するから、溶液は孔１１によって
絞り作用を受け、微小でかつ均一な粒子となって振動板
２の上部に流出し、効率良く霧化される。図１の超音波
成膜装置の駆動時、振動板２から霧化された霧は基板の
一方の板面に付着し、溶液中の成分で成る薄膜を形成す
る。溶液が振動板２に接触しさらに振動板２の孔１１を
通過するとき、超音波によって溶液中には微小な大きさ
の空泡が生じる。この空泡の中は極めて高温度に達する
ことから、溶液が振動板の上部から霧として放出される
際には大きなエネルギーを保有する。このエネルギーは
溶液中に含まれる物質のイオン化を促進するので、基板
の板面において形成される薄膜の配向性に重要な役割を
演ずることとなる。また、基板自身の温度や溶液の温度
を制御したり、ドーム９内の温度や圧力を制御したり、
振動板２と基板との距離を調整することによっても薄膜
の配向性や膜厚を制御することが可能となる。図６は駆
動回路５の一実施例を示す構成図である。図６において
Ｍ、ＦおよびＧはそれぞれ主電極Ｍ、帰還電極Ｆおよび
グランド電極Ｇを示し、主電極Ｍおよび帰還電極Ｆが１
組のすだれ状電極Ｐに対応し、グランド電極Ｇが電極Ｑ
に対応している。端子Ｔ_Ｐ１およびＴ_Ｐ２はそれぞれ主
電極Ｍおよび帰還電極Ｆに設けられ、端子Ｔ_Ｑはグラン
ド電極Ｇに設けられている。端子Ｔ_Ｐ１を介して圧電振
動子１に電圧を引加することにより圧電振動子１に励振
された振動は、その大部分が振動板２に伝搬され、残部
がその振動に応じて圧電振動子１に引加された電圧とは
逆相の電圧として端子Ｔ_Ｐ２から出力される。この動作
の繰り返しによって正帰還の自励発振が生じる。つま
り、複合体の共振周波数にほぼ等しい周波数を有する電
気信号が雰囲気温度の変化に追随して安定して圧電振動
子１に供給される。このようにして、常に自らの最適の
発振状態を維持することを可能にしている。従って、他
励駆動の際に問題となる発熱等により複合体の共振周波
数が偏移して発振条件が悪くなるという問題点が解決さ
れる。また、１つのコイルＬ_１、１つのトランジスタＴ
_ｒ、２つの抵抗Ｒ1およびＲ2、および１つのダイオード
Ｄという極く少ない部品で回路を構成することが可能で
ある。しかも、部品点数が少ないにもかかわらず、直流
電源を利用することができ電力効率もよいことから、電
源の小型化対応を可能にしている。図６の駆動回路５に
直流電源からたとえば０〜１０Ｖの直流電圧を印加する
と、コイルＬ_１の値を調整することにより、主電極Ｍ
に最大で約６０Ｖ_ｐ−ｐの交流電圧を印加させること
ができる。このとき帰還電極Ｆから約１Ｖ_ｐ−ｐの電
気信号が取り出される。このようにして、駆動回路５で
は直流電源電圧の約６倍の交流電圧を圧電振動子１に印
加することが可能である。図２の超音波励振器において
は６Ｖ以上の直流電圧を主電極Ｍに印加することにより
霧化動作が確認できた。霧の粒子は極微小でしかも均一
であった。図２の超音波励振器によれば、長時間にわた
り極微小の霧を安定に霧化できる。図７は圧電振動子１
と振動板２との複合体における主電極Ｍとグランド電極
Ｇとの間のアドミタンスの振幅と周波数との関係を示す
特性図である。アドミタンスは周波数がほぼ９４．１ｋ
Ｈｚのときにピークを示し、このピークの近傍で最大霧
化量が得られた。図８は図７におけるアドミタンスの位
相と周波数との関係を示す特性図である。位相が零のと
きの周波数が共振周波数を示すことから、共振周波数の
うちの１つがほぼ９４．１ｋＨｚであることがわかる。
また、この９４．１ｋＨｚの共振周波数は圧電振動子１
単体の共振周波数とほぼ一致していることが確認され
た。図９は圧電振動子１と振動板２との複合体における
共振周波数付近でのサセプタンスとコンダクタンスとの
関係を示す特性図、すなわち共振周波数付近でのアドミ
タンスサークルを示す図である。サセプタンスが零のと
きのコンダクタンスの最大値は９４．２ｋＨｚで起こ
り、この値は圧電振動子１と振動板２との複合体におけ
る共振周波数とほぼ一致している。

【発明の効果】本発明の超音波成膜装置によれば、圧電
振動子と振動板との複合体の共振周波数にほぼ等しい周
波数を有する交流信号を圧電振動子に印加することによ
り圧電振動子が振動する。この圧電振動子の振動は振動
板を振動させるので、振動板に目的物質を含む溶液を供
給することにより溶液を霧化することができる。この
際、振動板には微細な多数の孔が設けられていることか
ら、振動板に供給された溶液はその孔を通して霧化され
る。孔を通しての霧化は粒子の微小性、均一性を促し、
しかも霧化効率を増大させることができる。その上、孔
の一方の開口面積が他方の開口面積より大きい構造を採
用すれば、その大きい方の開口を入口側とし小さい方を
出口側とすることにより、孔の溶液通過面積が入口側か
ら出口側に向けて減少する。従って、溶液が孔を通過す
るときに絞り作用を受ける。その結果、粒子の径がさら
に微小、均一になる。従って、振動板の上方に基板を配
置する構造を採用することにより、その基板の板面にそ
の霧に含まれる物質で成る薄膜を形成することができ
る。基板に薄膜を形成する際、溶液は振動板に接触しさ
らに振動板に設けられたの孔を通過する。このとき、超
音波によって溶液中には微小な大きさの空泡が生じる。
この空泡の中は極めて高温度に達することから、溶液が
霧として放出される際には大きなエネルギーを保有す
る。このエネルギーは溶液中に含まれる物質のイオン化
を促進するので、基板の板面において形成される薄膜の
配向性に重要な役割を演ずることとなる。従って、高画
質でしかも超薄型の壁掛けテレビなどの実現を可能にす
る有機系エレクトロ・ルミネッセンス素子の基板への積
層などにも利用が可能である。本発明の超音波成膜装置
では薄膜の膜厚制御手段および配向性制御手段が備えら
れており、膜厚制御手段および配向性制御手段は溶液の
温度および霧の粒径並びに霧の量を制御する手段を含む
とともに、霧化された霧が付着した基板を所定の温度お
よび圧力のもとにおく手段を含む。従って、薄膜を板面
に形成する際、これらの手段を駆使することにより目的
の膜厚と配向性を有する薄膜を得ることができる。な
お、圧電振動子に引加する電圧を制御することにより、
霧化量や霧の粒径を制御することも可能である。また、
同一の溶液に２種類あるいはそれ以上の種類の物質を溶
解させておくことにより、基板の板面上に２成分あるい
はそれ以上の成分から成る混合物、またはそれらの成分
が反応することにより生成される化合物の薄膜を形成す
ることができる。これは、溶液が霧化される際に大きな
エネルギーを保有し、このエネルギーが溶液中に含まれ
る物質のイオン化を促進し基板の板面において形成され
る薄膜の配向性を左右することに起因する。さらに、超
音波励振器を２つあるいはそれ以上設け、それぞれの超
音波励振器によって別々の物質を含む溶液を順次に霧化
させる構造を採用することにより、それぞれの溶液に含
まれる成分によって形成される積層状の薄膜を基板の板
面上に形成することも可能となる。このようにして、適
当な条件のもとでの霧化あるいは霧化後の処理を施すこ
とにより、基板の板面上における重合反応などによる高
分子薄膜の形成も可能となる。基板として石英ガラスそ
の他のガラス類、塩化カリウム、塩化ナトリウムなどの
無機塩類、グラファイトなどの高分子化合物、圧電セラ
ミック、金属その他の物質で成るものを採用することに
より、基板に高機能性を有する薄膜を形成することが可
能となる。圧電振動子として圧電磁器と、その圧電磁器
の厚さ方向に垂直な両端面にそれぞれ形成されている電
極Ｐ並びにＱから成る簡単な構造を採用することによ
り、装置を小型化できしかも高い効率で液体を霧化する
ことができ低消費電力での駆動が可能となる。また、電
極Ｐとしてすだれ状電極を使用することにより、圧電振
動子の厚さが薄い場合にも自励式駆動が可能となる。従
って、温度などの環境変化に対応しうる形での低消費電
力、低電圧での駆動が可能となる。圧電振動子として長
さと幅の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形状
の板または３辺のうちの２辺の寸法比が１に近くしかも
１に等しくない矩形状の角柱を採用することにより、圧
電振動子と振動板との複合体の結合振動が増強され、霧
化効率が促進される。また、振動板を圧電振動子の少な
くとも一方の端面上に一体的に連なって固着させる構造
を採用することにより、振動板は圧電振動子との接合部
を固定端とする形で振動するから、振動板に供給された
液体はその弾性振動により霧化され振動板の上方に向け
て霧として放散される。圧電振動子と振動板との複合体
における共振周波数が圧電振動子単体の共振周波数とほ
ぼ等しくなるような構造を採用することにより、圧電振
動子と振動板との複合体の結合振動が増強するから霧の
発生量はさらに増加する。超音波励振器の駆動回路に
は、直流電源と端子Ｔ_Ｐ１との間に接続された昇圧用の
コイルと、出力電圧端子が端子Ｔ_Ｐ１に接続され入力電
圧端子が端子Ｔ_Ｐ２に接続されたトランジスタが含まれ
ており、このトランジスタを増幅素子とし超音波励振器
を共振回路とする発振回路が構成されている。このよう
にして、圧電振動子の共振周波数に周波数を自動的に追
尾できるようにしている。そのうえ、コイルの逆起電圧
を利用した回路が備えられていることにより、電源電圧
より高い電圧で圧電振動子を駆動することができる。こ
の逆起電圧回路は回路構成が簡単で小型であり、電源効
率及び周波数特性が良い。振動板に液体を供給する手段
が、超音波励振器を支持する支持具と、液体を収容する
貯液室と、多数の貫通孔を有する吸液能力の大きい物質
から成る保液材とを備えることにより、長時間にわたり
安定な霧化を実現することができる。また、液体を供給
する手段が、貯液室から振動板に液体を供給するための
チューブを備えることにより、保液材を用いなくても液
体を振動板に供給することが可能となる。支持具や保液
材などの超音波励振器に直接接触するものの表面は、圧
電振動子の振動がその表面や液体中に伝搬しにくいよう
な材質が採用されている。このようにして、効率良く振
動板が振動されるので効率よく液体を霧化することが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波成膜装置の一実施例を示す断面
図。

【図２】圧電振動子１および振動板２から成る超音波励
振器とその周辺の断面図。

【図３】圧電振動子１および振動板２の平面図。

【図４】振動板２を板面に垂直な平面で切断したときの
部分拡大断面図。

【図５】振動板２の部分拡大平面図。

【図６】駆動回路５の一実施例を示す構成図。

【図７】圧電振動子１と振動板２との複合体における主
電極Ｍとグランド電極Ｇとの間のアドミタンスの振幅と
周波数との関係を示す特性図。

【図８】図７におけるアドミタンスの位相と周波数との
関係を示す特性図。

【図９】圧電振動子１と振動板２との複合体における共
振周波数付近でのサセプタンスとコンダクタンスとの関
係を示す特性図。

【図１０】３端子方式の自励回路のブロック図。

【符号の説明】

１圧電振動子２振動板３支持具４保液材５駆動回路６電源室７貯液室８支持具９ドーム１０圧電磁器１１孔Ｐすだれ状電極Ｑ電極Ｔ_Ｐ１，Ｔ_Ｐ２，Ｔ_Ｑ端子Ｌ1 昇圧用コイルＴ_ｒトランジスタＲ1，Ｒ2 抵抗Ｄダイオード

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電振動子に多数の微小な貫通孔を有す
る振動板を固着してなる超音波励振器を少なくとも１つ
備え、該超音波励振器により発生させた弾性振動により
溶液を霧化し、その霧を基板の一方の板面に噴霧し、前
記霧に含まれる物質から成る薄膜を前記板面上に形成す
る超音波成膜装置において、前記圧電振動子は圧電磁
器、電極ＰおよびＱから成り、前記電極ＰおよびＱは前
記圧電磁器の厚さ方向に垂直な両端面のそれぞれに形成
されており、前記電極Ｐは１組のすだれ状電極で成り、
該すだれ状電極の２つの端子Ｔ _Ｐ１およびＴ _Ｐ２のうち
の一方の端子Ｔ _Ｐ１と電極Ｑにおける端子Ｔ _Ｑとの間に
前記圧電振動子の共振周波数とほぼ等しい周波数の電圧
を印加することにより、前記超音波励振器を駆動する回
路が備えてあり、前記駆動回路は、直流電源と前記端子
Ｔ _Ｐ１との間に接続されている昇圧用のコイルと、出力
電圧端子が前記端子Ｔ _Ｐ１に接続され入力電圧端子が前
記端子Ｔ _Ｐ２に接続されることにより前記端子Ｔ _Ｐ２に
現われる圧電気を帰還電圧として受けるトランジスタと
を備え、前記駆動回路は、前記トランジスタを増幅素子
とし前記超音波励振器を共振回路とする発振回路を構成
し、前記圧電振動子の共振周波数は、該圧電振動子と前
記振動板との複合体における共振周波数にほぼ等しく、
前記薄膜を前記板面上に形成する手段は前記薄膜の膜厚
を制御する手段および前記薄膜の配向性を制御する手段
を含み、前記膜厚制御手段および前記配向性制御手段
は、前記霧の温度、前記霧の粒径および前記霧の量を制
御する手段と、前記霧が付着した前記基板を所定の温度
および圧力のもとにおく手段を含むことを特徴とする超
音波成膜装置。
【請求項２】前記基板が石英ガラスその他のガラス
類、塩化カリウム、塩化ナトリウムなどの無機塩類、グ
ラファイトなどの高分子化合物、圧電セラミック、金属
その他の物質で成ることを特徴とする請求項１に記載の
超音波成膜装置。
【請求項３】前記圧電振動子は長さと幅の寸法比が１
に近くしかも１に等しくない矩形状の板または３辺のう
ちの２辺の寸法比が１に近くしかも１に等しくない矩形
状の角柱であって、前記振動板は前記圧電振動子の前記
電極ＰまたはＱを有する少なくとも一つの端面上に一体
的に連なって固着されていることを特徴とする請求項１
に記載の超音波成膜装置。