JP3754892B2 - 霧化装置用圧電共振器 - Google Patents
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Description
【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第2,599,844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50μm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電極間に1〜2kV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100μm程度の隙間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電極と、前記圧電基板の一方主面側に貫通孔を覆うように配設され、かつ、中央部に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前記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された前記励振電極は、前記圧電基板の一方主面と同寸法に形成されていると共に、前記圧電基板の他方主面に形成された前記励振電極は、前記圧電基板の他方主面の外周側領域と内周側領域とを除く領域に前記圧電基板の他方主面の寸法より小さく形成されており、前記振動板は、中央部が前記貫通孔に対向し、かつ、頂部に前記細孔を有するドーム状に成型されると共に、前記圧電基板の一方主面の前記励振電極の内周と前記振動板の外周との間が前記半田を介して接続され、前記圧電基板の直径が広がったり縮んだりする運動によりドーム部を上下させる運動を生じて前記圧電基板の前記貫通孔に供給される液体を前記細孔から放出する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15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4.5mm、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用いて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11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15により固着される。振動電極11は円環状の圧電基板12の一方主面の全面に形成される。即ち圧電基板12の一方主面と同寸法の励振電極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内周側には長さが0.1mm〜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18によって異なる。これは分極時の印加電圧が圧電基板12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12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の外周表面とを半田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14と圧電基板12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と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器の動作については、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などの液体が0.01mm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励振電極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14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器1と励振電極11の内周部と圧電基板12の一方主面の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)、0.5mm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)0.5mm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の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 (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電極と、前記圧電基板の一方主面側に貫通孔を覆うように配設され、かつ、中央部に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前記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された前記励振電極は、前記圧電基板の一方主面と同寸法に形成されていると共に、前記圧電基板の他方主面に形成された前記励振電極は、前記圧電基板の他方主面の外周側領域と内周側領域とを除く領域に前記圧電基板の他方主面の寸法より小さく形成されており、前記振動板は、中央部が前記貫通孔に対向し、かつ、頂部に前記細孔を有するドーム状に成型されると共に、前記圧電基板の一方主面の前記励振電極の内周と前記振動板の外周との間が前記半田を介して接続され、前記圧電基板の直径が広がったり縮んだりする運動によりドーム部を上下させる運動を生じて前記圧電基板の前記貫通孔に供給される液体を前記細孔から放出することを特徴とする霧化装置用圧電共振器。
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