修士論文
対向
SAW 素子による新しい
超音波霧化法に関する研究
平成
14 年 2 月
指導教官
上羽
貞行 教授
提出者
東京工業大学
総合理工学研究科
電子機能システム専攻
00M36220
長瀨
和幸
i
目次
第
1 章 序論
···1
1-1 本研究の背景···1 1-2 本研究の目的···2 1-3 本論文の構成···2第
2 章 弾性表面波素子の特性
···3
2-1 弾性表面波理論···3 2-2 材質と形状···5 2-3 弾性表面波素子の基本的特性···7 2-3-1 共振周波数···7 2-3-2 振動変位速度と振動速度··· 10 2-3-3 SAW ストリーミング ··· 12第
3 章 従来の弾性表面波霧化器
···13
3-1 弾性表面波霧化器の原理··· 13 3-2 キャピラリ表面波理論··· 14第
4 章 対向 SAW 素子による新しい超音波霧化法
···19
4-1 霧化器の構成··· 19 4-2 各素子の諸特性··· 21 4-2-1 共振周波数··· 21 4-2-2 振動振幅分布··· 22 4-3 新しい超音波霧化器の諸特性··· 24 4-4 まとめ ··· 35ii
第
5 章 SAW 素子先端形状の工夫
···36
5-1 霧化器 Wedge ··· 36 5-1-1 SAW 素子形状及び構成 ··· 36 5-1-2 各素子の諸特性··· 38 5-1-3 霧化特性··· 41 5-1-4 異なった霧化器構成の霧化の様子··· 41 5-2 霧化器 Wedge2 ··· 45 5-2-1 SAW 素子形状及び構成 ··· 45 5-2-2 各素子の諸特性··· 47 5-2-3 霧化特性··· 50 5-3 まとめ ··· 53第
6 章 結論
···55
6-1 本研究の成果··· 55 6-2 今後の課題··· 55謝辞
···57
参考文献
···58
関連発表
···59
付録
···60
第
1 章 序論
第
1 章 序論
本章では、本研究の背景、目的、本論文の構成について述べる。1-1 本研究の背景
高分解のプリンティングを実現する前処理として、プリンティング対象である紙や 金属に微細な液滴粒子を均一に薄く塗布することや、微細な液滴を整列して塗布する ような液滴粒子の制御性の高い塗布というものが要求されている。また、インクジェ ットプリンタ等、プリンタ技術の発展により高画質化し、写真並みの出力を得るため、 1 ドットをインク微粒子の集合体 (インクミスト) で記録することにより、ドット毎 の濃度を多段階に制御する方法がある。これを実現するために、微細なインク微粒子 が要求されている。1) 一般的な液体粒径微粒化技術としては、液体と空気のせん断液膜分裂によって微粒 化を行う圧力式微粒化、液体を高速気流によって微粒化する二流体式微粒化、高速で 回転する物体に液体を供給して、回転体周縁や表面から微粒化する遠心式微粒化、電 気力微粒化、熱エネルギによる微粒化などがある。 これらに対し、圧電振動子などによって液体に振動エネルギを与えて微粒化させる のが超音波霧化法であり、圧力式などに比べ、超音波霧化法は、霧化装置の小型化、 省電力化が可能である。超音波霧化法にはいろいろな方法が研究されており、広く利 用されている。たわみ振動させた多孔板から粒子を放出させる方法 2)、スクイーズ膜 を利用した方法、高周波集束音波を水中から水面方向に放射することにより、水面で の液柱分裂から粒子を放出させる方法 3)、振動面に液体を供給し、振動面で形成され るキャピラリ波 (毛細表面波) の波頭から霧化させる方法などがある。 キャピラリ波を利用する霧化法では、噴霧粒子の大きさが超音波振動の周波数に依 存し、高周波であるほど微細な粒子を得ることができる。しかしながら、液体供給機 構が別に必要なこと、霧化性能に設置状態依存性があること等が実用上の問題になっ ている。第
1 章 序論
1-2 本研究の目的
本研究の目的は、霧化量の制御・液滴噴霧距離の制御・時間的な制御が可能で、設 置の自由度が高く、要求に応じた制御が可能である、微小な液滴粒子の得られる霧化 器を実現することである。そのために、本研究では対向する 2 枚の SAW 素子で液 体を挟み込む構成のデバイスを提案・試作した。この構成により、設置自由度が増大 し、また、ＳＡＷによる音響流 4) で液体が自動供給される。さらに、液体の噴霧方 向を制御できる可能性がある。本研究では、提案した霧化器について、最適な構成に ついて検討を行い、SAW 素子先端形状について検討を行い、液滴噴霧方向の制御に ついて可能性について検討し、霧化能力の設置依存性について評価を行った。1-3 本論文の構成
まず、第 1 章においては、本研究の背景及び目的について述べている。 第 2 章では、本研究で用いた SAW 素子について基本的特性について述べている。 第 3 章では、今までに報告されている弾性表面波霧化器について触れ、キャピラリ 表面波理論について述べている。 第 4 章では、SAW 素子を 2 枚対向させて霧化器を構成し、その諸特性の測定を 行った。 第 5 章では、SAW 素子の先端形状を楔形に工夫した霧化器を 2 通り試作し、 SAW 素子形状について検討を行い、本研究において試作した 3 通りの霧化器につい て霧化能力の比較検討を行った。 第 6 章では、本研究で得られた成果についてまとめる。第
2 章 弾性表面波素子の特性
第
2 章 弾性表面波素子の特性
弾性表面波霧化器 5) は、超音波域の強い振動を得るために、圧電性基板である 128°回転 Y 板 X 伝搬 LiNbO3 を使用している。本章ではまず、弾性表面波理論を 述べ、LiNbO3 を用いて作成した弾性表面波素子について、共振周波数や振動速度な どの基本的特性について述べている。2-1 弾性表面波理論
弾性表面波 (surface acoustic wave:SAW) とは、媒質の表面付近にエネルギを集中 させて伝搬する波である。また、一般には二つの媒質の境界面に沿って伝わる弾性波 も含まれる。 弾性表面波は圧電基板の上に作製した櫛型電極弾性表面波変換器 (interdigital transducer:IDT) によって簡単に励振できる。このような素子を利用して、フィルタ や発振器など小形で優れたデバイスが数多く開発されており、総括して、弾性表面波 素子または SAW デバイスとよばれている。 弾性表面波は等方性媒質や圧電性媒質などを伝搬するが、等方性媒質表面を伝搬す るレイリー波が基本であり、最も多く利用されている。
レイリー波伝搬方向
λ
λ/2
第
2 章 弾性表面波素子の特性
レイリー波は 1885 年に Lord Rayleigh が半無限弾性体の表面に沿って伝搬する波 として理論的に導いたものである。波のエネルギは表面近くに集中しており、表面か ら深さ 1 波長以内に 90% 以上が含まれている。また、変位成分は進行方向と深さ方 向だけを持ち、両者の成分の位相差は 90°であるため、媒質の各点は図 2-1 に示す ように楕円方向を描く。これらの点は、媒質の表面においては、波の進行方向に対し､ 後方楕円回転をし、約 1/5 波長の位置で深さ方向だけの変位になり、それより深いと ころでは前方楕円回転をしている。さらに、レイリー波はその伝搬速度が周波数に無 関係にいつも一定 (速度分散性がない) であるという大きな特徴を持っている。伝搬 速度は結晶のカット面および伝搬方向によって異なる。ただし、速度分散性がないの は同じである。 本研究で利用する振動子、LiNbO3 は異方性媒質であるが、簡単のため等方性媒質 として扱い、以下に簡単な解析法を述べる。 図 2-2 に示すように座標系をおいて、x1 方向をレイリー波の進行方向とする。深 さ方向 (x3 方向) の変位は深くなるに従い小さくなることにより、xi 方向成分の表面 波の変位 ui は(
i
1
~
3
)
=
=
− − 1 3 x t j x i iA
e
e
u
υ ω ω υ αω と表せる。ここで、 i (=1∼3) は振幅係数。υ は表面波の速度であり、α は x3 方向 に対する減少定数に相当するものである。いずれも媒質定数や境界条件から決定され る値である。レイリー波伝搬方向
等方体
x
3x
2x
1 図 2-2 座標系第
2 章 弾性表面波素子の特性
この変位からひずみを求め、材料の定数と境界条件を考慮して式を解くと、レイリー 波における変位は最終的に次式のように与えられる。 − − −
−
=
3 3 1 3 1 1 x t j x xpe
e
e
F
u
p υ ω ω υ ω α υ ω α 0 1 =u
− − −
−
−
=
3 3 1 31
3 1 1 x t j x xe
e
p
e
F
j
u
p υ ω ω υ ω α υ ω αα
ここで、p =-F2/F1 であり、F1、F2 は振幅係数である。これらの式から、変位成分 は波の進行方向と深さ方向だけをもち、u3 は u1 に対して位相が 90° 進んでいるこ とから、媒質の表面付近で、波の進行方向に対して後方楕円回転をしているとレイリ ー波の特徴がわかる。2-2 材質と形状
SAW 素子の圧電材料として、128°回転 Y 板 X 伝搬 LiNbO3 を用いた。鏡面仕 上げされた表面に、線幅 100µm、ピッチ 400µm、20 対の IDT が設けてある。図 2-3 に SAW 素子の写真を示す。写真中の素子の寸法は図 2-4 に示す通りである。 LiNbO3 上におけるレイリー波の伝搬速度は 3960 m/s である。SAW 素子の共振周 波数 f は、レイリー波の伝搬速度 υ と波長 λ から、λ
υ
=
f
の式で求められる。波長は電極のピッチで決まり、400µm であるので、共振周波数は 9.6 MHz 前後になるはずである。第
2 章 弾性表面波素子の特性
図 2-3 SAW 素子の構成43
LiNbO
3IDT
単位 : [mm]
t = 1
2
16
43
LiNbO
3IDT
単位 : [mm]
t = 1
単位 : [mm]
t = 1
2
16
単位 : [mm]
10
16
8.1
9
ピッチ : 400 µm
20 対
線幅 : 100 µm
材質 : aluminum
IDT データ
単位 : [mm]
10
16
8.1
9
10
10
16
16
8.1
9
ピッチ : 400 µm
20 対
線幅 : 100 µm
材質 : aluminum
ピッチ : 400 µm
20 対
線幅 : 100 µm
材質 : aluminum
IDT データ
図 2-4 SAW 素子の寸法第
2 章 弾性表面波素子の特性
2-3 弾性表面波素子の基本的特性
2-3-1 共振周波数
圧電基板は一般に共振周波数と反共振周波数とを持つ。共振周波数で最も効率よく 電気エネルギを機械エネルギに変換する。よって、共振周波数を測定し、その周波数 で駆動することによって、効果的な振動を得る事ができる。 本研究で使用するために作成した SAW 素子のうち、ひとつの素子のアドミタンス 特性をインピーダンスアナライザ (HEWLETT PACKARD IMPEDANCE/GAIN-PHASE ANALYZER 4194A) により測定した。素子上に何ものせない場合の結果を、 図 2-5 に示す。LiNbO3 素子端面による波の反射の影響で、共振のピークがいくつも 存在している。アドミタンスの実成分であるコンダクタンス (G) が最大となる周波数 が共振周波数であり、この場合 9.59 MHz であることがわかった。 次に、素子上、先端部に液体をのせ、アドミタンス特性を測定した。その結果を 図 2-6 に示す。さらに、液体の量を 0.01 ml ずつ増していき、そのときのアドミタンス 特性も測定した。 まず、素子上に何ものせていなかった場合にみられた、複数のピークがなくなって いるのがわかる。これは、素子上の液体が波を吸収し、端面まで波が届かず、反射波 がなくなるためである。また、素子上の液体の量を増していっても、共振周波数は変 化していない。液体が素子上にあると G の最大値は大きく減少する。しかしながら、 素子上に液体があるときには、液体を増しても G の最大値に大きな変化はみられな い。したがって、素子上の液体の量は素子の G に影響はないということがいえる。 本研究では、2 枚の SAW 素子により液体を挟み込み、素子を駆動する。そこで、 駆動状況を想定し、液体を 2 枚の素子で挟み込んだ状態で 1 枚の素子のアドミタン ス特性を測定した。その結果を図 2-7 に示す。液体の量は 0.01 ml とした。この場 合の共振周波数は 9.59 MHz であった。したがって、この素子の駆動周波数を 9.59 MHz とした。第
2 章 弾性表面波素子の特性
25
20
15
10
5
0
-5
-10
G [
ｍ
S]
25
20
15
10
5
0
-5
-10
G [
ｍ
S]
9.5
10.0
10.5
9.0
9.5
10.0
10.5
9.0
周波数 [MHz]
G
G
B
B
25
20
15
10
5
0
-5
-10
B [
ｍ
S]
25
20
15
10
5
0
-5
-10
B [
ｍ
S]
図 2-5 弾性表面波素子のアドミタンス特性 (素子上何もなし) 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] G B 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] G B 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] 9.5 10.0 10.5 9.0 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] G G B B 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] G B 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] G B 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] 9.5 10.0 10.5 9.0 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] G G B B 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] G B 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] G B 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] 9.5 10.0 10.5 9.0 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] G G B B 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] G B 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] G B 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] 9.5 10.0 10.5 9.0 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] G G B B 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] (a) 液体量 0.01 ml (b) 液体量 0.02 ml (c) 液体量 0.03 ml (d) 液体量 0.04 ml 図 2-6 SAW 素子のアドミタンス特性 (素子上水あり)第
2 章 弾性表面波素子の特性
IDT
mist
SAW device
Fluid
IDT
mist
SAW device
Fluid
IDT
mist
SAW device
Fluid
15
10
5
0
-5
G [
ｍ
S]
9.5
10.0
10.5
9.0
9.5
10.0
10.5
9.0
周波数 [MHz]
G
G
B
15
10
5
0
-5
B [
ｍ
S]
図 2-7 SAW 素子のアドミタンス特性 (素子上何もなし)第
2 章 弾性表面波素子の特性
2-3-2 振動変位速度と振動速度
素子の駆動はバーストをかけた交流電圧により行う。たとえば、前述した素子の場 合、駆動周波数 9.59 MHz、バースト繰返し周波数 1 kHz、波数 1000 といったとき には、1 msec の周期ごとに、9.59 MHz のサイン波を 1000 波送ることを意味し、 その駆動電圧の波形は図 2-8 に示すような形になる。バースト駆動をするのは、霧化 に必要とする強い振動が得られるような高い電圧を IDT に連続波で印加すると、発 熱が大きくなり、LiNbO3 基板が割れてしまうためである。バースト交流電圧により 駆動した場合でも、長時間駆動するには、本研究で用いた素子においては、80 V0-p 以 下の電圧でないと素子を破損してしまう。 波数 1000 バースト繰り返し周波数 1 kHz (1 msec) 図 2-8 バースト交流電圧の波形 本研究で用いた素子のうち、ひとつの素子のレイリー波の伝搬方向に対する垂直方 向の振動変位振幅をレーザドップラ振動計 (LDV：Laser Doppler Vibrometer, Polytec OFV 501,OFV2700) で測定した。また、測定した振幅 A、駆動周波数 f か ら、垂直方向の振動速度 V は、fA
V
=2π
で計算することができる。 駆動電圧と、振動変位振幅及び振動速度との関係を図 2-9 に示す。本研究で構成す る霧化器を想定し、素子先端部において測定を行った。振動変位振幅が駆動電圧に比 例していることがわかる。第
2 章 弾性表面波素子の特性
また、この素子の駆動周波数と振動変位振幅及び振動速度との関係を図 2-10 に示 す。ここでは、駆動電圧は 60 V0-p、バースト繰り返し周波数 1 kHz、波数 1000 と した。前項で測定したアドミタンス特性における G の最大値と振動変位振幅の最大 値を示す周波数は一致することがわかる。 1.5 1.0 0.5 振動速度 [m /s e c ] 0 1.5 1.0 0.5 振動速度 [m /s e c ] 0 ○ ■ 振動変位振幅 振動速度 ○ ■ 振動変位振幅 振動速度 20 15 10 5 0 振動変位振幅 [n m ] 25 30 20 15 10 5 0 振動変位振幅 [n m ] 25 30 30 40 80 0 駆動電圧 [V0-p] 20 10 30 40 50 60 70 80 0 駆動電圧 [V0-p] 20 10 50 60 70 図 2-9 駆動電圧と振動変位振幅及び振動速度の関係 20 15 10 5 0 振動変位振幅 [n m ] 20 15 10 5 0 振動変位振幅 [n m ] 9.8 9.9 10.0 9.5 周波数 [MHz] 9.7 9.6 9.8 9.9 10.0 9.5 周波数 [MHz] 9.7 9.6 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 振動速度 [m /s ec ] 0.2 0 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 振動速度 [m /s ec ] 0.2 0 ○ ■ 振動変位振幅 振動速度 ○ ■ 振動変位振幅 振動速度 図 2-10 駆動周波数と振動変位振幅及び振動速度の関係第
2 章 弾性表面波素子の特性
2-3-3 SAW ストリーミング
レイリー波伝搬面上に水を負荷すると、漏洩表面波となり水中に縦波を効率よく放 射する現象であり、励振パワーを大きくすると水が流動したり、水が微小粒子となっ て飛翔する。これらの水の動きを SAW ストリーミングとよばれている。 レイリー波は、伝搬面上に水が負荷されると界面を伝搬しながら水中に縦波を放射 する。この様子を図 2-11 に示す。放射角 (レイリー角) θR は R W R=
sin
−1V
/
V
θ
となる。ここで、VR はレイリー波の伝搬速度、VW は水の伝搬速度である。本研究 において、レイリー角は θR =23°であった。 縦波放射 θR 液体 液体 空気空気 振動子 レイリー波 レイリー角 図 2-11 縦波の水中放射第
3 章 従来の弾性表面波霧化器
第
3 章 従来の弾性表面波霧化器
本研究では黒澤実助教授等が報告している、弾性表面波霧化器を基本にして、新し い超音波霧化器を提案・試作している。本章では、弾性表面波素子を用いた基本的な 弾性表面波霧化器の原理を述べ、弾性表面波霧化器における霧化現象の原理である、 キャピラリ表面波理論を述べる。3-1 弾性表面波霧化器の原理
弾性表面波霧化器は、圧電性基板の上に励振した弾性表面波のエネルギを、基板上 の液体に放射して液体の微粒化のエネルギに変換する。 弾性表面波霧化器の基本構成を図 3-1 に示す。霧化器は櫛形電極 (IDT) を持つ一 枚の圧電性基板から成っている。 振動子の材質は128°回転 Y 板 X 伝搬 である。櫛形電極に高周波電圧(約10MHz) をかけることによりレイリー波 (弾性表面波) が励振される。振動子上の液体の量が 適当であるとき、液体はレイリー波から縦波放射を受け、レイリー波伝搬方向に膨ら む。すると、振動子表面と液体の間に働く吸着力によって電極側に液体が薄く残る。 この液圧の薄い部分の表面に、液体の表面波であるキャピラリ波が発生する。このキ ャピラリ波の振動振幅が大きくなると、液滴が波頭からちぎれ、霧となって飛んで行 く。これが弾性表面波霧化器の動作原理である。IDT
霧
弾性表面 波素子
液体
IDT
霧
弾性表面 波素子
液体
図 3-1 弾性表面波霧化器の基本構成第
3 章 従来の弾性表面波霧化器
3-2 キャピラリ表面波理論
超音波振動子のレイリー波伝搬面上に液体をのせる、図 3-2 のように基板表面を伝 わる弾性表面波から、弾性表面波の減衰とともに振動子上の液体に向かって縦波が放 射され、液厚の薄い部分の表面にキャピラリ波 (毛細表面波) が発生する。キャピラ リ波の振動速度が大きくなると、キャピラリ波の波頭から液滴が分裂し、霧となって 飛んで行く。周波数が高いほどキャピラリ波の波長が短くなり、分裂する液滴の粒径 は小さくなる。 縦波放射 θR 液体 液体 空気空気 振動子 レイリー波 レイリー角 図 3-2 液体への縦波放射 ここで、霧化機構であるキャピラリ表面波について説明する。 図 3-3 は、振動面上の薄い液膜から、キャピラリ波の形成、および液滴の分裂のモ デル図である。(1) から (5) へ、時間的なキャピラリ波の変化を表し、(A) から (C) へと、振動振幅が大きくなったときの変化を表している。液滴の分裂は、振動振幅 (速度) が大きいとき、振動の最大振幅を少し過ぎたところで発生する。 一般に液体の表面波は主に重力が影響する場合の重力波と表面張力が影響する場合 のキャピラリ波の二つに分けられる。これらの二つを含む表面波に関する運動方程式 から、表面波の伝搬速度 υ を求め、これから重力波の速度とキャピラリ波の速度を求 める。第
3 章 従来の弾性表面波霧化器
時間経過 T
表面振動振幅
大
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(A)
(B)
(C)
時間経過 T
表面振動振幅
大
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(A)
(B)
(C)
縦振動
キャピラリ波の振動
t
c
0滴分裂
縦振動
キャピラリ波の振動
t
c
0滴分裂
図 3-3 キャピラリ波による液滴分裂のモデル第
3 章 従来の弾性表面波霧化器
液体は連続で、振動する非粘性の非圧縮性流体と考える。すると速度ポテンシャル φ のある渦無し流れとなる。いま、図 3-4 のように、波の伝搬方向を x とし、x 軸方 向に液体が無限遠まで続いているとする。垂直軸 (下方を正とする) を z とし、波の 運動を xz 平面の二次元流れとすると、液内のいたるところで次のラプラスの微分方 程式が成り立つ。0
2 2 2 2=
∂
∂
+
∂
∂
z
x
φ
φ
この式の解が速度ポテンシャル φ であり、境界条件などを加味してこれを求めるこ とによって波の伝搬速度 υ が求められる。波の運動が非常に小さいと仮定して、重力 波とキャピラリ波の両方を含めた一般の表面波の伝搬速度が、液体の密度 ρ、表面張 力 σ、波長 λ、重力加速度 g を用いて次式のように得られる。ρλ
πσ
π
λ
υ
2
2
+
=
g
k / 2π
λ
= k / 2π
λ
=0
ｌ 液深
ｚ
ｘ
k / 2π
λ
= k / 2π
λ
=0
ｌ 液深
ｚ
ｘ
図 3-4 座標系第
3 章 従来の弾性表面波霧化器
本研究で問題とするような、波長 λ が小さいときには、キャピラリティが支配的にな るので、この表面波の伝搬速度は次式となる。ρλ
πσ
υ
≅
2
(3.1) 波の周期を τ とすると、その伝搬速度が υ であるので、表面波の波長はλ
=υτ
である。この関係から式 (3.1) は、ρλ
πσ
τ
λ
υ
=
=
2
と、書き換えられる。この式より、ρ
πσ
τ
λ
2 2 3 = を得る。さらに、レイリー波の発振周波数を fe、キャピラリ波の周波数を fk とする と、 kf
1
=
τ
であるので、 2 32
kf
ρ
πσ
λ
=
(3.2) が得られる。 レイリー波の発振周波数 fe と、キャピラリ波の周波数 fk の間には、2
/
e kn
f
f
=
・
なる関係が存在し、n は自然数で、n
=
1
以外はめったに起こりえないとしている。 それで、多くの報告では、2
/
e kf
f
=
として、霧化特性を表している。そこで、これらの関係式を用いて式() から次式が得 られる。第
3 章 従来の弾性表面波霧化器
3 1 28
=
ef
ρ
πσ
λ
粒径d
− はキャピラリ波の波長 λ に比例すると考えられるので、比例定数 κ を用 いて、 3 1 28
=
− ef
d
ρ
πσ
κ
(3.3) のように表される。よって、この式から、粒径d
− は発振周波数 fe の –2/3 乗に比 例し、発振周波数 fe が高いほどキャピラリ波が細かになり、その波頭から分裂する液 粒群平均粒径d
− が小さくなることがわかる。 これまで報告されている、周波数と粒径の関係をまとめたものが図 3-5 である。式 (3.3) における κ の値は研究者により差があるものの、駆動周波数が高くなると理論 式に沿って粒径が小さくなっているのがわかる。これまで報告されているのは図 3-5 の通り、数十 kHz から数 MHz である。本研究における駆動周波数は 10 MHz か ら 50 MHz であり、これまでに例のないものである。式(3.3) においてκ
=1.0 と しても、10 MHz における平均粒径は 3µm 以下であると予想される。 図 3-5 駆動周波数と液滴の平均粒径関係 10 M 1 M 100 k 10 k 共振周波数 [Hz] 平均粒径 [µ ｍ ] 10 M 1 M 100 k 10 k 共振周波数 [Hz] 平均粒径 [µ ｍ ]第
4 章 対向 SAW 素子による新しい超音波霧化法
第
4 章 対向 SAW 素子による新しい超音波霧化法
第 3 章で述べたような弾性表面波霧化器は考案されている。しかしながら、実用の 点からは、霧化性能の設置依存性の問題や、液体の供給方法の簡略化、また、液滴飛 翔方向の制御等に問題があると考えられる。それらの問題を克服するために、対向す る 2 枚の SAW 素子で液体を挟み込み、霧化を行う超音波霧化器を考案・試作した。 本章では、試作したデバイスの構成を示し、各素子の特性を述べ、デバイスを駆動し た際に得られる霧化量を測定した。また、2 枚の素子の特性と得られる霧化量との関 係を調べた。さらに、液体の性質が霧化量に与える影響を調べるため、液体の性質を 変化させて霧化量を測定した。4-1 霧化器の構成
本研究では、SAW 素子を 2 枚用いて、図 4-1 に示すような超音波霧化器を構成 した。すなわち、素子の IDT が設けられている面 (SAW が伝搬する面) 同士を向き 合わせ、素子間に液体を供給する。SAW は液体中に縦波を放射し、液体を振動させ る。SAW 強度を大きくしていくと SAW ストリーミングにより水が SAW の伝搬方 向に流れる。液体が SAW 素子の先端に到達し、SAW から液体中に漏えいした弾性 波によってキャピラリ波を発生する。キャピラリ波の振動速度が大きくなるとキャピ ラリ波の波頭から微細な液滴が分裂し、液体が霧となって飛んで行く。 液体を 2 枚の SAW 素子ではさみ込むことにより、どの方向に設置しても液体が こぼれることがなく、液体の供給と霧化を同時に行うことができ、液体の噴霧方向を 制御できる構成となっている。 図 4-2 に霧化の様子と霧化器の構成の図を示す。図 4-2 中の霧化器を構成する一 方の素子を素子 A、もう一方を素子 B とする。ここで、この構成の霧化器を本研究 では、「霧化器 Normal」と名付けることにする。第
4 章 対向 SAW 素子による新しい超音波霧化法
霧 SAW 素子 図 4-1 本研究が提案する超音波霧化器の構成及び霧化の様子 IDT 霧 SAW 素子 液体 IDT 霧 SAW 素子 液体 霧化器 Normal 霧化器 Normal素子 B
素子
A
側面図 液体 霧 IDT 液体が移動する 液体が移動する SAW 素子 図 4-2 本研究が提案する超音波霧化器の構成第
4 章 対向 SAW 素子による新しい超音波霧化法
4-2 各素子の諸特性
4-2-1 共振周波数
圧電基板は共振周波数で最も効率良く電気エネルギを機械エネルギに変換するとい うことは第 2 章 2-4-2 で述べた。効率良く霧化量を得るため、各素子を共振周波数 で駆動することを考える。そこで、第 2 章 2-4-2 と同様にして図 4-2 中の素子 A と素子 B の共振周波数を求めるため、各素子のアドミタンス特性を測定した。その 結果を図 4-3 に示す。ここで、測定は素子間に液体を挟み込んだ状態で行った。各素 子の共振周波数、コンダクタンス G、共振の鋭さ Q を表 4-1 に示す。 15 10 5 0 -5 G [ ｍ S] 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] G B 15 10 5 0 -5 B [ ｍ S] 15 10 5 0 -5G [
ｍ
S]
15 10 5 0 -5G [
ｍ
S]
9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] 9.5 10.0 10.5 9.0 9.5 10.0 10.5 9.0 周波数 [MHz] G G B B 15 10 5 0 -5B [
ｍ
S]
15 10 5 0 -5B [
ｍ
S]
(a) 素子 A15
10
5
0
-5
G [
ｍ
S]
9.5
10.0
10.5
9.0
周波数 [MHz]
G
B
15
10
5
0
-5
B [
ｍ
S]
15
10
5
0
-5
G [
ｍ
S]
15
10
5
0
-5
G [
ｍ
S]
9.5
10.0
10.5
9.0
周波数 [MHz]
9.5
10.0
10.5
9.0
9.5
10.0
10.5
9.0
周波数 [MHz]
G
G
B
B
15
10
5
0
-5
B [
ｍ
S]
15
10
5
0
-5
B [
ｍ
S]
(b) 素子 B 図 4-3 各素子のアドミタンス特性第
4 章 対向 SAW 素子による新しい超音波霧化法
表 4-1 素子 A、素子 B の諸特性 素子名 共振周波数 コンダクタンス G 共振の鋭さ Q A 9.59 MHz 11.1 mS 135.1 B 9.59 MHz 12.7 mS 129.74-2-2 振動振幅分布
次に、各素子のレイリー波の伝搬方向に対する垂直方向の振動変位振幅と印加電圧 との位相差の関係を LDV により測定した。このときの印加電圧との位相差とは、印 加電圧の波形と素子の振動波形をオシロスコープで取り込み、測定位置での位相進み、 位相遅れを測定した結果である。図 4-4 に測定系を示す。SAW 素子が透明であるこ と、また、波長が 約 400 µm と短いことを考慮して、より精密に振動振幅分布を測 定するために、LDV のレーザ光の径を小さくし、焦点深度を短くする目的で、対物 レンズを LDV と素子の間に用いた。このことにより、LDV のレーザ光の径は数十 µm、となり、焦点深度も小さくなった。 測定結果を図 4-5 に示す。ここでの測定条件は、各素子共に、駆動周波数 9.59 MHz、バースト繰り返し周波数 1 kHz、波数 1000 とした。y 軸に関しては基板中 心線上の素子最先端部を位置 0 とし、IDT に向かって LDV を動かし、先端より 3 mm の箇所まで測定を行った。また、y 軸に関しては、図 4-5 より、進行波成分と ともに定在波成分が存在することがわかる。これは、素子端面における波の反射の影 響であると考えられる。また、各素子において位相差はなく、さらに振動振幅分布の 山と谷の現れる位置が、先端からほぼ同じ位置であるということがわかる。これは、2 枚の素子をバースト交流電圧の位相差 0°で同時に駆動させれば、2 枚の素子が同時 に同様の振動分布で駆動するということである。IDT
レーザドップラ
振動計
対物レンズ
側面図
測定ライン
0
SAW 素子
IDT
IDT
レーザドップラ
振動計
対物レンズ
側面図
側面図
測定ライン
0
SAW 素子
図 4-4 振動振幅分布の測定系第
4 章 対向 SAW 素子による新しい超音波霧化法
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 位置 [mm] 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 位置 [mm] 0 30 20 10 振動振幅 A [m n ] 0 30 20 10 振動振幅 A [m n ] 0 -180 180 位相差θ
[° ] 0 -180 180 位相差θ
[° ]θ
A
(a) 素子 A 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 位置 [mm] 0 30 20 10 振動振幅 A [m n] 0 -180 180 位相差θ
[° ] 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 位置 [mm] 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 位置 [mm] 0 30 20 10 振動振幅 A [m n] 0 30 20 10 振動振幅 A [m n] 0 -180 180 位相差θ
[° ] 0 -180 180 位相差θ
[° ]θ
A
(b) 素子 B 図 4-5 各素子の振動振幅分布第
4 章 対向 SAW 素子による新しい超音波霧化法
4-3 新しい超音波霧化器の諸特性
SAW 素子を 2 枚用いて新しい超音波霧化器を提案・試作した。新しい超音波霧化 器の諸特性を測定した。ここでの駆動周波数を 9.59 MHz とし、バースト繰り返し周 波数：1 kHz、波数：1000 とした。霧化実験の実験系を図 4-6 に示す。バースト交 流電圧を制御するために 2 台の発振器を用いる。1 台の発振器からもう 1 台の外部 トリガのかかった発振器 (2 CH) へバースト駆動制御をするために矩形波 (1 kHz) の 参照信号を送る。また、2 CH 発振器はそれぞれのチャンネルの出力波形の位相進み、 位相遅れの制御も可能である。これらのことより、9.59 MHz のサイン波を 1000 波、 2 CH で同時発振が可能となり、霧化器を構成する素子 2 枚同時駆動が可能となり、 また、2 枚の素子への入力電圧の位相差も操作が可能である。CH1
CH2
CH1
CH2
バースト駆動用
トリガ信号
CH1
CH2
トリガ信号
霧化器
オシロスコープ
Iwatsu DS-8812
発振器（出力2CH）
WAVE FACTORY WF1946発振器
HEWLETT PACKARD 3314Aバースト波
EN MODEL 240L RF POWER AMPLIFIER増幅器
バースト波
図 4-6 霧化実験の実験系第
4 章 対向 SAW 素子による新しい超音波霧化法
本研究における入力電力は以下の式によって求める。 電圧 Vrms、電流 I、コンダクタンス G を用いて 2 rms rms GV IV W= = とする。さらにバースト駆動を考慮する。例えば、バースト繰り返し周波数 1 kHz の間には、9.59 MHz のサイン波は 9590 波ある。このとき、バースト波数 1000 と すれば、残りの 8590 波分の時間を休むことになる。ゆえにデューティーは 1：9.59 となり、本研究の 1 枚の素子へ供給する電力は W/9.59 ということになる。さらに、 SAW 素子を 2 枚用いて霧化実験を行う際の全供給電力は、構成された霧化器への供 給電力の合計である。(1) 霧化量測定方法
本研究では、霧化量を以下のように測定する。 ① 素子間に計量済み (0.01 ml ∼ 0.015 ml) の液体を、基板中心線上、霧化器先 端に注射針によって注入し、液体で素子間が満たされるようにする。 ② 霧化器にバースト交流電圧を印加し、同時に霧化時間の計測を始める。 ③ 液体が霧化され、素子間を液体が満たさなくなったら、電圧の印加を停止し、 時間の計測も停止する。 ④ 素子間に残った液量を計測し、実際に霧化された液量を算出する。 ⑤ 実際に霧化された液量と霧化時間より、1 分間あたりの霧化量に換算し、本研 究における霧化量とする。 測定方法を図 4-7 に示す。素子駆動中
電圧印加停止
液体注入
霧化器を前面から見た図
霧化器を前面から見た図
SAW 素子
液体
第
4 章 対向 SAW 素子による新しい超音波霧化法
基板中心線上に液体を置いたときに最も霧化量を多く得られる。しかしながら、 IDT からのパワーフローがあるため、素子先端において基板中心線上に液体を保持で きず、左右に液体がシフトしてしまい、霧化量を効率良く得られなくなってしまうこ とがある。そこで、その問題を解決するため、図 4-8 (a) のように素子の両端にグリ ス (DOW CORNING : HIGH VACUUM GREASE) を塗った。しかしながら、グリ スを塗ることにより、振動振幅の減少や端面での反射の影響の変化等、振動に対する 影響が考えられる。そこで、グリスを塗る前とグリスを塗った後の基板中心線上の振 動振幅と電源電圧との位相差の関係を測定した。その結果を図 4-8 (b)･(c) に示す。
