JP2004190537A - Hydraulically driving method and device using elastic surface wave - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波を用いた液体駆動方法および装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
超音波振動による放射圧を用いて液体をポンピングあるいは霧化できることは広く知られている。超音波振動の中でも、弾性表面波はエネルギー密度が高いことや小型化が容易であることから、これを用いることにより小型で高性能なポンプや霧化器が構成できると考えられる。
【0003】
しかし、弾性表面波は振動振幅が数nmと極めて小さいことから、これまで主として通信分野への利用が主であり、メカニカルな用途への応用はあまり検討されてきていない。特に、弾性表面波をポンプ等へと応用する研究としては、樋口・黒澤らによるもの(下記
【特許文献1】参照)、塩川らによるもの(下記
【非特許文献1】参照)、表面弾性波を利用した噴霧装置および噴霧方法(下記
【特許文献2】参照)、現像方法(下記
【特許文献3】参照)などが挙げられる。
【0004】
図6はかかる従来の進行波を利用した弾性表面波ポンプの基本構成図、図7はその液滴の搬送原理の模式図である。
【0005】
これらの図において、101は圧電基板、102は櫛型電極(すだれ状電極)、103は弾性表面波(進行波)、104は液滴、105は吸音器(接着剤)、201は圧電基板、202は弾性表面波、203は液滴である。
【0006】
このように、圧電基板101上に形成された櫛型電極102により弾性表面波103が励振され、進行波となって圧電基板101上を伝播していく。伝播路上に液滴104を置くと、弾性表面波103による放射圧により液滴104が波の伝播方向へと搬送される(液滴の種類によっては、波の伝播方向と逆向きに搬送される現象も報告されている)。さらに、強力な弾性表面波103を励起することにより、液滴104表面において微小液滴への分裂を引き起こすことができ、これにより液滴104を霧化することもできる。
【0007】
【特許文献1】
特開平7−232114号公報 第2−3頁 図1
【特許文献2】
国際公開 WO97/05960号公報 図4
【特許文献3】
特開平4−337772号公報 第2−3頁 図1,図2
【非特許文献1】
“Study on SAW Streaming and its Application to Fluid Devices”,Shoko SHIOKAWA,et al.,Japanese Journal of Applied Physics,Vol.29(1990)Supplement29−1,pp.137−139
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、弾性表面波をポンプや霧化器へと利用する従来の研究は、いずれも進行波を利用するものであった。
【0009】
進行波を利用した弾性表面波ポンプには、次のような問題点が存在する。
【0010】
まず、一点目は、エネルギー効率が低いことである。圧電基板上を進行していく進行波は、圧電基板の端面に達すると反射され、圧電基板上の定在波比を増加させる。これは進行波を利用するポンプにとっては望ましくない現象であるため、通常は、圧電基板端面付近に吸音器を設けることにより進行波を吸収することが望ましい。
【0011】
過去に報告されている試作例では、図6に示すように、吸音器として接着剤105を用いており、これにより進行波103を吸収し熱へと変換している。この構成では、投入したエネルギーの大部分が熱へと変換されるため極めてエネルギー効率が悪い。
【0012】
また、駆動に伴い吸音器が発熱し、圧電基板破損の原因となるため、連続的な駆動が行えないという問題もある。
【0013】
そこで、別の方法として弾性表面波モータで提案されているエネルギー回生の手法を用いることも考えられる。これは、吸音器として櫛型電極(すだれ状電極)を用い、振動エネルギーを電気エネルギーとして回生するものである。この手法を用いれば、高いエネルギー効率が実現できると考えられるが、回路構成が複雑になるというデメリットがある。
【0014】
もう一つの問題点は、進行波の伝播路が必要なことである。進行波を用いた弾性表面波ポンプの場合、進行波の伝播路上において液滴を搬送する。そのため、伝播路が不可欠な構成要素となる。しかし、弾性表面波の励振に用いられる圧電基板は一般に高価であることから、伝播路の存在は装置のコスト増加の一因となる。また、装置の小型化を考える上でも伝播路の存在は望ましくない。
【0015】
本発明は、上記状況に鑑みて、エネルギー効率の向上とコストの低減とを図り得る弾性表面波を用いた液体駆動方法および装置を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕弾性表面波を用いた液体駆動方法において、弾性表面波の定在波振動による放射圧により液体を搬送することを特徴とする。
【0017】
〔2〕弾性表面波を用いた液体駆動方法において、弾性表面波の定在波振動による放射圧により液体を霧化することを特徴とする。
【0018】
〔3〕弾性表面波を用いた液体駆動装置において、圧電基板と、この圧電基板上に形成される弾性表面波の定在波振動生成手段と、前記圧電基板上にセットされる液体とを具備することを特徴とする。
【0019】
〔4〕上記〔3〕記載の弾性表面波を用いた液体駆動装置において、前記定在波振動生成手段は前記圧電基板の中央部に形成され、弾性表面波を励振する励振用電極と、該励振用電極の両側に形成され、前記弾性表面波を反射する反射器とを具備することを特徴とする。
【0020】
〔5〕上記〔4〕記載の弾性表面波を用いた液体駆動装置において、前記励振用電極は一対の組み合わされた櫛型電極であることを特徴とする。
【0021】
〔6〕上記〔3〕記載の弾性表面波を用いた液体駆動装置において、前記定在波振動生成手段が液体を上方に放射させるポンプ機能を有することを特徴とする。
【0022】
〔7〕上記〔3〕記載の弾性表面波を用いた液体駆動装置において、前記定在波振動生成手段が液体を霧化する噴霧機能を有することを特徴とする。
【0023】
〔8〕上記〔3〕記載の弾性表面波を用いた液体駆動装置において、前記セットされた液体表面もしくは表面付近にメッシュ板を設け、前記弾性表面波からの圧力により前記メッシュ板近傍において液体を霧化することを特徴とする。
【0024】
〔9)上記〔4〕記載の弾性表面波を用いた液体駆動装置において、前記励振用電極の表面に絶縁膜を具備することを特徴とする。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0026】
図1は本発明の第1実施例を示す定在波利用型ポンプの斜視図、図2はその定在波利用型ポンプの原理を示す模式図である。
【0027】
図1において、1は圧電基板、2はその圧電基板1表面の中央部に配置される弾性表面波放射器であり、図1に示すように、櫛型電極が互いに組み合わせられた弾性表面波を励振する励振用電極からなる。3はその弾性表面波放射器2の両側に配置され、弾性表面波を反射する反射器、5は励振用電極2に印加される正弦波を供給する電源である。なお、圧電基板1としては、例えば、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどを用いることができる。
【0028】
また、図2において、弾性表面波放射器(励振用電極)2および反射器3上には液体4がセットされており、電極により生成される定在波振動による放射圧が液体4に作用して、この液体4が搬送され、ポンプ機能が果される。
【0029】
このように構成される弾性表面波ポンプは、従来の進行波に変えて定在波を利用する。すなわち、圧電基板1上に弾性表面波放射器(櫛型電極)2を設け、その両端に振動反射器3を設けることにより、櫛型電極2上に定在波を励振することができる。定在波が励振された櫛型電極2に上に液滴を置く、あるいは、櫛型電極2上を液体4で満たすと、定在波からの放射圧により、液体4が圧電基板1面に垂直な方向へと飛ばされる。
【0030】
この方式においては、従来の進行波型ポンプが抱える問題が原理的に解決されている。すなわち、定在波を利用しているために、吸音器を設置する必要が無く、励振エネルギーを容易に圧電基板1表面に閉じ込めることができる。そのため、エネルギー効率が高く連続的に駆動することも可能である。共振のQ値も高いため、より低い電圧で駆動することも可能である。また、振動励振用の電極2上において直接液体4に力を与えるため、波の伝播路は不要である。そのため、従来よりも遙かに小型化に適している。
【0031】
次に、霧化機能を持たせるには、電極2上に液滴もしくは液層をセットして、電極2に強いエネルギー密度を生成させる。これにより、液滴もしくは液層を霧化することができる。
【0032】
従来の進行波を用いた霧化器においては、基板の斜め上方へ向けて霧が発生する例が多いのに対し、本発明の方式においては、基板の上方へ向けて霧を発生することができる。
【0033】
また、次に説明する本発明の第2実施例に示すように、液面にメッシュ板を設置することにより、粒径の揃った霧を発生させることもできる。
【0034】
図3は本発明の第2実施例を示す液体駆動装置の模式図である。なお、図2と共通の部分には同じ符号を付して説明は省略する。
【0035】
この図において、6は電極上の液体4の液面に配置されるメッシュ板、7はこの装置により発生した霧滴である。
【0036】
このように構成される装置においては、励振用電極2の定在波からの放射圧により、メッシュ板6近傍において霧を発生することができ、さらに、発生する霧滴7の粒径を均一にすることができる。
【0037】
また、メッシュ板6に電位を与えることにより、帯電した霧滴7を発生することもできる。
【0038】
図4は本発明の第3実施例を示す液体駆動装置の模式図である。なお、図1と共通の部分には同じ符号を付して説明は省略する。
【0039】
この実施例では、励振用電極2の上面に絶縁膜8を形成するようにした。
【0040】
例えば、液体が水(水道水)であるような場合には、第1実施例のように電極2が液体に対して露出した構成では十分な作用が得られない。このような場合には、電極2表面に絶縁膜8を形成することにより、性能向上が図れる。なお、この例では、励振用電極2の上面にのみ絶縁膜8を形成しているが、反射膜3も含めた基板全体に対して絶縁膜を形成するようにしてもよい。
【0041】
現在までの実験では、液滴により挙動が大きく異なることが観察されている。詳細な原因は不明であるが、液体の導電率や粘性が重要なパラメータとなっていることが予測される。また、第3実施例に示した絶縁膜の性質も重要なパラメータであり、例えば、絶縁膜を親水性のものとすることで性能向上が図れる可能性も考えられる。
【0042】
また、本発明は、上記した電極の構造に限定されるものではなく、種々の電極の構造や配置を行うことができる。さらに、厳密な定在波のみによる振動でなくとも進行波が混じったような励振であっても本発明の範囲に含まれる。
【0043】
また、電極の真上で液体を駆動することを特徴として述べたが、これも必ずしも必要条件ではない。励振用電極と反射器との間に距離を設け、その間で液体を駆動する構成や、次に説明する図5に示すように、二つ以上の励振用電極を対向して配置し、その間で液体を駆動する構成も考えられる。
【0044】
図5は本発明の第4実施例を示す液体駆動装置の模式図である。
【0045】
この図において、11は圧電基板、12,13はその圧電基板11表面の両側に配置される励振用電極としての櫛型電極、14はその圧電基板1表面の中央部に置かれる液体(ここでは液滴)、15,16は櫛型電極12と13にそれぞれ正弦波を供給する電源である。
【0046】
このように構成したので、励振用電極としての櫛型電極12と13からの定在波振動による放射圧が液体14に作用して液体14を駆動することができる。
【0047】
本発明の方法および装置は、(1)医学分野におけるマイクロ・ドラッグデリバリシステム(DDS)やネブライザ、化学・薬学分野におけるマイクロTASシステムなどにおける液体搬送システム、(2)情報機器用水冷却装置におけるポンプ機構、(3)マイクロ液中ロボット用推進機構など広汎な利用が可能である。
【0048】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0049】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0050】
(A)弾性表面波の定在波振動を利用して液体を搬送、もしくは、霧化することができる。
【0051】
(B)励振用電極の上で直接液体の搬送を行うことができるため、小型化に適している。
【0052】
(C)定在波を用いるためエネルギー密度が高い。また、より低い電圧で駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す定在波利用型ポンプの斜視図である。
【図2】本発明の実施例を示す定在波利用型ポンプの原理を示す模式図である。
【図3】本発明の第2実施例を示す液体駆動装置の模式図である。
【図4】本発明の第3実施例を示す液体駆動装置の模式図である。
【図5】本発明の第4実施例を示す液体駆動装置の斜視図である。
【図6】従来の進行波を利用した弾性表面波ポンプの基本構成図である。
【図7】従来の液滴の搬送原理の模式図である。
【符号の説明】
1,11 圧電基板
2,12,13 弾性表面波放射器(励振用電極:櫛型電極)
3 反射器
4,14 液体
5,15,16 電源(正弦波供給)
6 メッシュ板
7 霧滴
8 絶縁膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid driving method and apparatus using a surface acoustic wave.
[0002]
[Prior art]
It is widely known that liquids can be pumped or atomized using radiation pressure from ultrasonic vibrations. Among ultrasonic vibrations, surface acoustic waves have a high energy density and are easy to miniaturize. Therefore, it is considered that a small-sized and high-performance pump or atomizer can be constituted by using this.
[0003]
However, since the surface acoustic wave has an extremely small vibration amplitude of several nanometers, it is mainly used mainly in the communication field, and its application to mechanical applications has not been studied much. In particular, studies applying surface acoustic waves to pumps and the like include those by Higuchi and Kurosawa et al. (See [Patent Document 1] below), those by Shiokawa et al. (See [Non-Patent Document 1] below), and surface acoustic waves. And a spraying method (see [Patent Document 2] below) and a developing method (see [Patent Document 3] below).
[0004]
FIG. 6 is a basic configuration diagram of such a conventional surface acoustic wave pump using a traveling wave, and FIG. 7 is a schematic diagram of the principle of transporting the droplet.
[0005]
In these figures, 101 is a piezoelectric substrate, 102 is a comb-shaped electrode (interdigital), 103 is a surface acoustic wave (travelling wave), 104 is a droplet, 105 is a sound absorber (adhesive), 201 is a piezoelectric substrate, 202 is a surface acoustic wave, and 203 is a droplet.
[0006]
As described above, the surface
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-7-232114, page 2-3, FIG.
[Patent Document 2]
International Publication WO97 / 05960 FIG. 4
[Patent Document 3]
JP-A-4-337772, page 2-3, FIG. 1 and FIG.
[Non-patent document 1]
“Study on SAW Streaming and it's Applications to Fluid Devices”, Shoko SHIOKAWA, et al. , Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 29 (1990) Supplement 29-1 pp. 137-139
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, previous studies using surface acoustic waves for pumps and atomizers have all used traveling waves.
[0009]
A surface acoustic wave pump using a traveling wave has the following problems.
[0010]
First, energy efficiency is low. The traveling wave traveling on the piezoelectric substrate is reflected when reaching the end face of the piezoelectric substrate, and increases the standing wave ratio on the piezoelectric substrate. Since this is an undesirable phenomenon for a pump using a traveling wave, it is usually desirable to absorb the traveling wave by providing a sound absorber near the end face of the piezoelectric substrate.
[0011]
In a prototype example reported in the past, as shown in FIG. 6, an
[0012]
In addition, there is also a problem that continuous driving cannot be performed because the sound absorber generates heat due to driving, which causes breakage of the piezoelectric substrate.
[0013]
Therefore, as another method, it is conceivable to use an energy regeneration method proposed for a surface acoustic wave motor. This uses a comb-shaped electrode (interdigital electrode) as a sound absorber and regenerates vibration energy as electric energy. Although it is considered that high energy efficiency can be achieved by using this method, there is a disadvantage that the circuit configuration is complicated.
[0014]
Another problem is that a traveling wave propagation path is required. In the case of a surface acoustic wave pump using a traveling wave, a droplet is transported on a propagation path of the traveling wave. Therefore, the propagation path is an essential component. However, since a piezoelectric substrate used for exciting surface acoustic waves is generally expensive, the presence of a propagation path contributes to an increase in the cost of the device. In addition, the existence of the propagation path is not desirable in consideration of miniaturization of the device.
[0015]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a liquid driving method and apparatus using a surface acoustic wave that can improve energy efficiency and reduce cost.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in order to achieve the above object,
[1] A liquid driving method using a surface acoustic wave is characterized in that the liquid is conveyed by radiation pressure due to standing wave vibration of the surface acoustic wave.
[0017]
[2] A liquid driving method using a surface acoustic wave is characterized in that the liquid is atomized by radiation pressure due to standing wave vibration of the surface acoustic wave.
[0018]
[3] A liquid drive device using a surface acoustic wave, comprising a piezoelectric substrate, a means for generating a standing wave vibration of a surface acoustic wave formed on the piezoelectric substrate, and a liquid set on the piezoelectric substrate. It is characterized by doing.
[0019]
[4] In the liquid driving device using the surface acoustic wave according to the above [3], the standing wave vibration generating means is formed at a central portion of the piezoelectric substrate, and an excitation electrode for exciting a surface acoustic wave; A reflector formed on both sides of the excitation electrode and reflecting the surface acoustic wave.
[0020]
[5] The liquid driving device using surface acoustic waves according to [4], wherein the excitation electrode is a pair of comb electrodes.
[0021]
[6] The liquid drive device using surface acoustic waves according to [3], wherein the standing wave vibration generating means has a pump function for radiating liquid upward.
[0022]
[7] The liquid driving apparatus using surface acoustic waves according to [3], wherein the standing wave vibration generating means has a spray function of atomizing the liquid.
[0023]
[8] In the liquid driving device using the surface acoustic wave according to the above [3], a mesh plate is provided on or near the set liquid surface, and the liquid is supplied near the mesh plate by the pressure from the surface acoustic wave. It is characterized by atomization.
[0024]
[9] The liquid driving device using surface acoustic waves according to [4], wherein an insulating film is provided on a surface of the excitation electrode.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0026]
FIG. 1 is a perspective view of a standing wave utilizing pump showing a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram showing the principle of the standing wave utilizing pump.
[0027]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a piezoelectric substrate, and
[0028]
In FIG. 2, a liquid 4 is set on a surface acoustic wave radiator (excitation electrode) 2 and a
[0029]
The surface acoustic wave pump configured as described above uses a standing wave instead of a conventional traveling wave. That is, by providing the surface acoustic wave radiator (comb-shaped electrode) 2 on the piezoelectric substrate 1 and providing the
[0030]
In this method, the problem of the conventional traveling wave pump has been solved in principle. That is, since the standing wave is used, there is no need to install a sound absorber, and the excitation energy can be easily confined on the surface of the piezoelectric substrate 1. Therefore, it is possible to drive continuously with high energy efficiency. Since the Q value of resonance is high, it is possible to drive with a lower voltage. Further, since a force is directly applied to the liquid 4 on the
[0031]
Next, in order to provide the atomization function, a droplet or a liquid layer is set on the
[0032]
In the conventional atomizer using traveling waves, fog is often generated obliquely upward of the substrate, whereas in the method of the present invention, fog is generated upward of the substrate. it can.
[0033]
Further, as shown in a second embodiment of the present invention described below, by installing a mesh plate on the liquid surface, it is possible to generate mist having a uniform particle diameter.
[0034]
FIG. 3 is a schematic view of a liquid driving apparatus according to a second embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0035]
In this figure, reference numeral 6 denotes a mesh plate arranged on the surface of the liquid 4 on the electrode, and 7 denotes mist generated by the apparatus.
[0036]
In the device configured as described above, the mist can be generated near the mesh plate 6 by the radiation pressure from the standing wave of the
[0037]
Also, by applying a potential to the mesh plate 6, charged mist droplets 7 can be generated.
[0038]
FIG. 4 is a schematic view of a liquid driving apparatus according to a third embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
[0039]
In this embodiment, the insulating
[0040]
For example, when the liquid is water (tap water), a sufficient effect cannot be obtained with the configuration in which the
[0041]
In experiments to date, it has been observed that the behavior differs greatly depending on the droplet. Although the detailed cause is unknown, it is expected that the conductivity and viscosity of the liquid are important parameters. The property of the insulating film shown in the third embodiment is also an important parameter. For example, it may be possible to improve the performance by making the insulating film hydrophilic.
[0042]
Further, the present invention is not limited to the above-described electrode structure, and various electrode structures and arrangements can be performed. Further, even if the excitation is not a vibration due to only a strict standing wave, but is an excitation in which a traveling wave is mixed, the present invention is also included in the scope of the present invention.
[0043]
In addition, although it has been described that the liquid is driven just above the electrode, this is not always a necessary condition. A structure is provided in which a distance is provided between the excitation electrode and the reflector, and a liquid is driven between them, and as shown in FIG. 5 described below, two or more excitation electrodes are arranged to face each other, and A configuration for driving the liquid is also conceivable.
[0044]
FIG. 5 is a schematic view of a liquid driving apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
[0045]
In this figure, 11 is a piezoelectric substrate, 12 and 13 are comb-shaped electrodes as excitation electrodes disposed on both sides of the surface of the
[0046]
With this configuration, the liquid 14 can be driven by the radiation pressure due to the standing wave vibration from the
[0047]
The method and apparatus of the present invention include (1) a liquid transport system in a micro drug delivery system (DDS) or nebulizer in the medical field, a micro TAS system in the chemical / pharmaceutical field, and (2) a pump mechanism in a water cooling device for information equipment. (3) It can be widely used, such as a propulsion mechanism for a micro-submersible robot.
[0048]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0050]
(A) The liquid can be transported or atomized by utilizing the standing wave vibration of the surface acoustic wave.
[0051]
(B) Since the liquid can be directly transferred on the excitation electrode, it is suitable for miniaturization.
[0052]
(C) The energy density is high because a standing wave is used. Further, it can be driven with a lower voltage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a standing wave utilizing pump according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the principle of a standing wave utilizing pump showing an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view of a liquid driving device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view of a liquid drive device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of a liquid driving apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a basic configuration diagram of a conventional surface acoustic wave pump using a traveling wave.
FIG. 7 is a schematic diagram of a conventional droplet transport principle.
[Explanation of symbols]
1,11
6 Mesh plate 7
Claims (9)
(b)該圧電基板上に形成される弾性表面波の定在波振動生成手段と、
(c)前記圧電基板上にセットされる液体とを具備することを特徴とする弾性表面波を用いた液体駆動装置。(A) a piezoelectric substrate;
(B) means for generating a standing wave vibration of a surface acoustic wave formed on the piezoelectric substrate;
(C) a liquid driving device using surface acoustic waves, comprising: a liquid set on the piezoelectric substrate.
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