JP2006087984A - 気泡噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 種々の環境に対しても微小気泡を確実に発生させ得る気泡噴射装置を提供すること。
【解決手段】 気泡噴射装置１０は、噴射部１１、圧電／電歪素子１２、圧力調整手段１３、液体Ｗの圧力Ｐｗを検出する圧力センサ１４及び電気制御装置１５を備える。噴射部１１は、一端が気体噴射口１１ａ２を構成する気体噴射孔１１ａ１を備えた板体１１ａと、同板体に連続する壁１１ｂと、を含み同板体と同壁とにより同気体が供給される気体供給空間１１ｃを形成している。この気体供給空間１１ｃには、圧力調整手段によって、検出された圧力Ｐｗに応じた圧力に圧力が調整された気体ＧＳが供給される。一方、電気制御装置１５は圧電／電歪素子１２に駆動信号を送り圧電／電歪素子１２を変形させ、板体１１ａを振動させる。この結果、気体噴射孔１１ａ１から微小気泡が噴射される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微小な気泡を液体中に噴射する気泡噴射装置に関する。

従来から、液体中に微小な気泡を発生させるための種々の装置が提案されている。このような装置のうちの一つは、液体（例えば、水）の一部を分解（例えば、電気分解や光分解）してガス（例えば、酸素）を発生させ、このガスに超音波を照射することにより微小な気泡を発生させるようになっている。（例えば、特許文献１を参照。）
特開２００３−３３４５４８（請求項１、段落００１８、図１）

しかしながら、気泡を発生させる環境（例えば、液体の温度や圧力等）は変化するので、超音波振動を常に適切に付与することが困難であり、微小気泡を安定して発生できないという問題がある。また、液体を分解する装置が必要であり、且つ、液体を分解することにより発生できる気泡（ガス）の種類が限定されてしまうという問題もある。従って、本発明の目的は、種々のガスの微小気泡を安定的に生成することができる気泡噴射装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の気泡噴射装置は、
一端が気体噴射口を構成する気体噴射孔としての貫通孔を備えてなり少なくとも同気体噴射口が液槽内の液体中に露呈される板体と、同板体に連続する壁と、を含み同板体と同壁とにより同気体が供給される気体供給空間を形成する噴射部と、
駆動信号に応答して前記板体を振動させる圧電／電歪素子と、
前記駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、
前記気体噴射口近傍に前記気体と前記液体との気液界面が形成されるように前記気体供給空間内の気体の圧力を調整する圧力調整手段と、
を備え、
前記圧電／電歪素子によって前記板体を振動させることにより前記液槽内の液体中に前記気体を前記気体噴射孔から微細気泡として噴射するように構成されている。

これによれば、圧力調整手段により気体供給空間内の気体の圧力が調整され、気体噴射口近傍に気液界面が形成される。更に、その気体噴射口が形成されている板体は、圧電／電歪素子の作動により振動させられる。従って、本装置は、気液界面を確実に振動させることができるので、微小気泡を安定的に噴射することができる。加えて、板体の振動により液体中に粗密波が発生し、噴射された微小気泡をその粗密波により更に小さく分裂させることができる。従って、本装置は、微細気泡（例えば、μｍのオーダーの直径を有する気泡）と超微細気泡（例えば、ｎｍのオーダーの直径を有する気泡）とを同時に発生することもできる。

この場合、
前記噴射部は、少なくとも前記壁の外面の一部が外気に露呈されるように配置され、
前記圧電／電歪素子は、前記外気中に露呈された前記壁の外面の一部に固定されていることが好適である。

これによれば、液体が気体噴射孔内及び気体供給空間内に進入した場合であっても、圧電／電歪素子が液体に接しない。この結果、圧電／電歪素子と液体との相互作用による圧電／電歪素子の劣化を考慮する必要がないので、より多くの種類の液体に対して気泡を発生することができるとともに耐久性が優れた気泡噴射装置が提供される。

一方、前記噴射部は、前記板体が弾性変形可能な部材を介して前記液槽に支持されるように構成されていることが好適である。

これによれば、板体の振動の変位（振幅）を大きくすることができるので、圧電／電歪素子による消費電力を低減することができる。

この場合、前記圧電／電歪素子は、前記弾性変形可能な部材又は部分を振動させる位置に固定されていることが好適である。

これによれば、より一層効率的に板体を振動させることができるので、より消費電力を低減することができる。

また、上記何れかの気泡噴射装置の圧力調整手段は、
前記板体の気体噴射口近傍における前記液槽内の液体の圧力に基づいて前記気体の圧力を調整するように構成されることが好適である。

これによれば、気体噴射口近傍の適切な位置に気液界面をより確実に形成することができるので、より安定して微小気泡を発生させることができる。

また、前記噴射部の板体は前記圧電／電歪素子により構成されることができる。つまり、圧電／電歪素子自体に気体噴射孔を形成し、その気体噴射口を液体中に露呈させてもよい。

これによれば、板体と圧電／電歪素子とが一つの部材により構成されることになるので、部品点数を削減することができる。

一方、前記噴射部の板体はセラミックスから構成することができる。この場合、前記板体と前記圧電／電歪素子とを一体焼成により形成することもできる。

セラミックスは、例えば、酸などにより腐食されないので、より多くの種類の液体及び気体に対して使用することができる気泡噴射装置が提供される。

他方、前記噴射部の板体は金属から構成することもできる。

金属は容易に加工することができる特性を有するので、例えば、気体噴射口が形成された噴射面を曲面等にすることにより気泡の噴射方向を自由に設定することができる。これにより、一つの気体噴射孔から噴射された気泡が液体中を進行するほど他の気体噴射孔から噴射された気泡から離れるように一つの気体噴射孔から噴射される気泡の噴射方向と他の気体噴射孔から噴射される気泡の噴射方向を設定できるので、噴射された気泡が液体中で再結合する可能性を低減した気泡噴射装置を提供することができる。

また、上記何れかの気泡噴射装置は、少なくとも前記気体噴射口の周囲の前記板体の面上に前記液体と濡れ性が良好な親液層が形成されていることが好適である。

これによれば、板体が振動するとき、液体が気体噴射孔内に入り易くなるとともに、気泡が気体噴射口の周囲から離れ易くなる。この結果、より小さな気泡が噴射され得る。

前記圧電／電歪素子は、層状の圧電／電歪素子部と層状の電極とが交互に多層にわたり積層された素子であることが好適である。

このような圧電／電歪素子は、大きな駆動力（板体を変形させる力）を発生できるので、板体をより一層確実に振動させることができる。

更に、前記気体噴射孔を構成する前記板体の貫通孔の側壁面に気体噴射方向に延びる溝が複数形成されていることが好適である。

これによれば、噴射される直前の気泡の気液界面（メニスカス）に細かな凹凸部を形成することができる。この結果、気泡は、形成された凹凸部の大きさの気泡となって離脱するから、より微小な気泡を発生させることができる。

また、上記何れかの気泡噴射装置において、
前記駆動信号発生手段は、
前記板体が前記液体に向けて変位した後に反対方向に変位する噴射動作を行うように前記駆動信号を発生することが好適である。

これによれば、板体が前記液体に向けて変位したときに気液界面が気体噴射孔内に一旦入り込み、その後、板体が反対向きに変位したとき気液界面は気体噴射孔を形成している板体の側壁に沿って移動して液体中に膨出する。このとき、気体噴射孔を形成している板体の側壁の近傍の気体は同側壁により移動が規制される。一方、気体噴射孔の中央に存在する気体は液体に向けて容易に移動する。この結果、液中に気体噴射孔中央部に存在する気体による微小気泡が形成される。従って、一回の噴射動作により一つの微小気泡を確実に噴射することができる。

この場合、前記駆動信号発生手段は、前記噴射動作を間欠的に行うように前記駆動信号を発生することが望ましい。

これによれば、一つの気体噴射口から時間的に連続して噴射される気泡間の距離を大きくすることができるので、これらの気泡が液体中において再結合して大きな気泡となってしまうことを回避することができる。

また、
前記駆動信号発生手段は、
前記圧電／電歪素子が圧縮及び伸長を複数回行うことにより前記気体噴射孔の一つから一つの気泡が噴射される噴射動作を間欠的に行うように前記駆動信号を発生することが好適である。

これによれば、圧電／電歪素子の一回の圧縮及び伸長動作により気体噴射孔内において気液界面に小さなくびれ部が発生し、引き続く圧電／電歪素子の圧縮及び伸長動作によってそのくびれ部がより大きくなる（より大きくくびれる）。この結果、その成長したくびれ部から気体の一部が離脱し、微小気泡が発生する。このように、上記構成は、くびれ部を成長させることにより気泡を発生させるから、気体噴射孔の直径よりも相当に小さい直径を有する気泡を発生させることができる。また、このように発生させられる気泡は小さいので、液体中での上昇速度が小さい。従って、上記構成のように、噴射動作を間欠的に行うことによって一つの気体噴射孔から時間的に前後して噴射される微小気泡間の距離を大きくとることにより、これらの気泡が液体中で結合してしまうことを回避することができる。

更に、前記駆動信号発生手段は、
前記板体が、前記噴射動作における振動よりも短い周期且つ小さい振幅の微小振動を同噴射動作における振動に重畳して行うように前記駆動信号を発生することが好適である。

これによれば、噴射動作により発生した気泡を、微小振動によって更に細かく分断することができる。更に、板体の表面によって同板体表面近傍に存在する液体を微小振動させることができるから液体が気体噴射孔内に容易に進入することができる。また、板体の微小振動によって気泡を気体噴射孔から離脱させ易くすることができる。この結果、より微小な気泡を噴射することができる。

また、前記駆動信号発生手段は、
前記板体の気体噴射口近傍における前記液槽内の液体の圧力に基づいて前記噴射動作における前記板体の振幅を変更する駆動信号を発生するように構成されることが好適である。

これによれば、気液界面の位置を気体噴射口に対して適切に移動させることができるので、液体圧力が変化しても微小気泡を確実に噴射することができる。

以下、本発明による気泡噴射装置の各実施形態について図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
本発明の一実施形態に係る気泡噴射装置１０は、その縦断面図である図１に示したように、液体（ここでは水）Ｗを貯留する液槽ＥＳの底に配置され、液体Ｗの中に微小な気泡を発生させる装置である。気泡噴射装置１０は、噴射部１１と、圧電／電歪素子１２と、圧力調整手段１３と、圧力検出手段１４と、電気制御装置１５とを備えている。

噴射部１１は、板体（噴射板）１１ａと壁１１ｂとからなっている。
板体１１ａは、セラミックスからなる薄い板であって液槽ＥＳの底の一部をなすように配置されている。図１の１−１線に沿った平面にて液槽ＥＳを切断した断面図である図２に示したように、板体１１ａの平面視における形状は互いに直交するＸ軸及びＹ軸方向に沿った辺を有する長方形である。板体１１ａには気体噴射孔１１ａ１として機能する貫通孔が複数の箇所（ここでは、四箇所）に形成されている。気体噴射孔１１ａ１の一端は気体噴射口１１ａ２を構成している。気体噴射口１１ａ２は、液槽ＥＳ内の液体Ｗ中に露呈されるように配置されている。

壁１１ｂは、図１に示したように、側壁１１ｂ１と対向壁１１ｂ２とからなっている。側壁１１ｂ１は、板体１１ａの周辺部から立設している。対向壁１１ｂ２は、側壁１１ｂ１に連接され、板体１１ａと対向している。これにより、板体１１ａ及び壁１１ｂ（側壁１１ｂ１及び対向壁１１ｂ２）は、略直方体形状の気体供給空間１１ｃを形成している。対向壁１１ｂ２の中央部には気体供給穴Ｈが形成されている。気体供給穴Ｈは、パイプＰに接続されている。気体供給空間１１ｃには、このパイプＰ及び気体供給穴Ｈを介して噴射すべき気体（ここでは、酸素Ｏ_２）ＧＳが供給される。このように構成された噴射部１１は、少なくとも壁（側壁１１ｂ１及び対向壁１１ｂ２）の外面の一部が外気に露呈されるように配置されていると言うことができる。

圧電／電歪素子（ここでは、分極方向を有する圧電素子）１２は、板体１１ａを振動させるためのアクチュエータとして機能する。圧電／電歪素子１２は、板状であって、その平面視における形状は、図２に示したように、略長方形である。圧電／電歪素子１２は、板体１１ａの気体供給空間１１ｃ側の面に板体１１ａと一体焼成されることにより板体１１ａに固着されている。圧電／電歪素子１２には複数の箇所（ここでは、四箇所）に貫通孔１２ａが形成されている。貫通孔１２ａの中心軸は板体１１ａの気体噴射孔１１ａ１の中心軸と一致している。また、貫通孔１２ａの直径は気体噴射孔１１ａ１の直径より大きくなっている。これにより、気体供給空間１１ｃの気体ＧＳは貫通孔１２ａを介して気体噴射孔１１ａ１に供給される。

圧電／電歪素子１２の図示しない電極には、図示しない導線を介して電気制御装置１５から圧電素子駆動電圧信号（単に、「駆動信号」とも言う。）が供給されるようになっている。圧電／電歪素子１２は、圧電素子駆動電圧信号に応答して収縮又は伸長し、板体１１ａを液体Ｗ内に向う方向（Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸の正方向）に変位させるとともに、同方向とは反対方向（Ｚ軸の負方向）に板体１１ａを変位させるようになっている。

圧力調整手段１３は、周知の調整圧可変型プレッシャレギュレータである。圧力調整手段１３には、図示しない気体供給手段（例えば、ボンベ及びポンプ、又は、高圧ボンベ等）から加圧された気体ＧＳが供給されている。圧力調整手段１３は、電気制御装置１５からの指示信号に基づいて気体供給空間１１ｃ内の気体ＧＳの圧力が目標圧力となるように、パイプＰの通路断面積を変更するようになっている。

圧力検出手段１４は、圧力センサである。圧力検出手段１４は、液槽ＥＳの底に配置され、液槽ＥＳの底における液体Ｗの圧力Ｐｗを検出し、同検出した圧力Ｐｗに応じた信号を電気制御装置１５に送出するようになっている。なお、圧力検出手段１４と気体噴射口１１ａ２とには同一の液体圧力が加わるので、圧力検出手段１４は気体噴射口１１ａ２近傍の液体の圧力Ｐｗを検出していることになる。

電気制御装置１５は、周知のマイクロコンピュータを含んでいる。電気制御装置１５は、圧力検出手段１４から得られる液体Ｗの圧力Ｐｗに基づいて、気体供給空間１１ｃ内の気体の圧力が所定の目標圧力となるように、圧力調整手段１３に指示信号を送出するようになっている。所定の目標圧力とは、気体噴射口１１ａ２の近傍に噴射しようとする気体ＧＳと液体Ｗとの気液界面が形成されるような圧力である。また、電気制御装置１５は、圧電／電歪素子１２の図示しない電極に圧電素子駆動電圧信号を送出する駆動信号発生手段を構成している。

次に、上記のように構成された気泡噴射装置の作動について説明する。図３のタイムチャートに示したように、電気制御装置１５は時刻ｔ１以前において圧電素子駆動電圧信号を０（ゼロ）Ｖに維持している。このとき、気液界面（気体ＧＳと液体Ｗとの境界面）Ｍは、図４の（Ａ）に示したように、板体１１ａの気体噴射口１１ａ２の近傍に存在している。

次いで、時刻ｔ１になると、電気制御装置１５は時刻ｔ２までの間、圧電素子駆動電圧信号を０Ｖから正の電圧Ｖ１に向けて増大して行く。これにより、圧電／電歪素子１２が板体１１ａの平面に沿う方向に収縮するので、板体１１ａは液中に（Ｚ軸正方向に）膨出する。即ち、図３に示したように、板体１１ａは液中に向けて変位する。この結果、図４の（Ｂ）に示したように、気液界面Ｍは気体噴射孔１１ａ１内に進入する。

そして、時刻ｔ２になると、電気制御装置１５は時刻ｔ３までの間、圧電素子駆動電圧信号を負の電圧（−Ｖ１）に向けて減少して行く。これにより、圧電／電歪素子１２が板体１１ａの平面に沿う方向に伸長するので、板体１１ａはそれ以前（時刻ｔ１〜ｔ２）とは反対向き（Ｚ軸負方向、即ち、液体Ｗから遠ざかる方向）に変位する。この結果、図４の（Ｃ）に示したように、気液界面Ｍは気体噴射孔１１ａ１から液体中に大きく膨出し、微細気泡となって噴射される。

その後、時刻ｔ３になると、電気制御装置１５は時刻ｔ４までの間、圧電素子駆動電圧信号を０Ｖに向けて増大する。これにより、圧電／電歪素子１２は時刻ｔ１以前の初期状態へと復帰し、板体１１ａの変位も時刻ｔ１以前の初期状態へと復帰する。時刻ｔ４以降、電気制御装置１５は圧電素子駆動電圧信号を０Ｖに維持する。以上の時刻ｔ１〜ｔ４（圧電駆動周期Ｔｓ）の作動が、一回の噴射動作である。

電気制御装置１５は、その後、時刻ｔ１から間欠駆動周期Ｔintが経過した時刻ｔ５になると、再び、時刻ｔ１〜ｔ４までと同じ圧電素子駆動電圧信号を発生し、次の一回の噴射動作を圧電／電歪素子１２及び板体１１ａに実行させる。この結果、微小気泡ＦＧは間欠駆動周期Ｔint毎に気体噴射口１１ａ２から一つずつ噴射される。

これにより、一つの気体噴射口１１ａ２（一つの気体噴射孔１１ａ１）から時間的に連続して噴射される二つの気泡間の距離を大きくすることができるので、これらの気泡が液体Ｗ中において再結合して大きな気泡となってしまうことを回避することができる。

以上、説明したように、第１実施形態に係る気泡噴射装置１０においては、圧力調整手段１３により気体供給空間１１ｃ内の気体ＧＳの圧力が調整され、気体噴射口１１ａ２近傍に気液界面Ｍが形成される。更に、その気体噴射口１１ａ２が形成されている板体１１ａは、圧電／電歪素子１２の作動により振動させられる。

従って、本装置１０は、気液界面Ｍを確実に振動させることができるので、微小気泡ＦＧを安定的に噴射することができる。加えて、板体１１ａの振動により液体Ｗ中に粗密波が発生し、噴射された微小気泡ＦＧをその粗密波により更に小さく分裂させることができる。従って、本装置１０は、微細気泡（例えば、μｍのオーダーの直径を有する気泡）と超微細気泡（例えば、ｎｍのオーダーの直径を有する気泡）とを同時に発生することもできる。

また、気泡噴射装置１０は、板体１１ａの気体噴射口１１ａ２近傍における液槽ＥＳ内の液体Ｗの圧力Ｐｗを検出し、その検出した圧力Ｐｗに基づいて気体供給空間１１ｃ内の気体ＧＳの圧力を調整するように構成されている。従って、例えば、液槽ＥＳ内の液体Ｗの量が変化することにより気体噴射口１１ａ２近傍の液体Ｗの圧力が変化した場合であっても、気体噴射口１１ａ２近傍の適切な位置に気液界面Ｍをより確実に形成することができる。この結果、気泡噴射装置１０は、より安定して微小気泡を発生させることができる。

更に、気泡噴射装置１０においては、板体１１ａが液体Ｗに向けて変位した後に反対方向に変位する噴射動作を行うように圧電／電歪素子１２に駆動電圧信号が供給される。

これにより、板体１１ａが液体Ｗに向けて変位したときに気液界面Ｍが気体噴射孔１１ａ１内に一旦入り込み、その後、気液界面Ｍは気体噴射孔１１ａ１を形成している板体１１ａの側壁に沿って移動して液体Ｗ中に膨出する。このとき、気体噴射孔１１ａ１を形成している板体の側壁の近傍の気体ＧＳは同側壁により移動が規制される。一方、気体噴射孔１１ａ１の中央に存在する気体ＧＳは液体Ｗに向けて容易に移動する。この結果、液体Ｗの中に気体噴射孔１１ａ１の中央部に存在する気体ＧＳによる微小気泡ＦＧが形成される。従って、一回の噴射動作により一つの微小気泡を確実に噴射することができる。

更に、噴射部１１の板体１１ａはセラミックスから構成され、板体１１ａと圧電／電歪素子１２とが一体焼成により形成されている。セラミックスは、例えば、酸などにより腐食されない。従って、気泡噴射装置１０は、より多くの種類の液体及び気体に対して使用することができる気泡噴射装置となっている。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る気泡噴射装置２０について図５及び図６を参照しながら説明する。この気泡噴射装置２０は、第１実施形態の圧電／電歪素子１２を圧電／電歪素子２１に置換した点のみにおいて同第１実施形態の気泡噴射装置１０と相違している。従って、以下、この相違点を中心に説明する。なお、図５及び図６において、気泡噴射装置１０が備える構成部材と同一の部材については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

圧電／電歪素子（ここでは、分極方向を有する圧電素子）２１は、圧電素子駆動電圧信号に応答して前記板体を振動させるためのアクチュエータとして機能する。圧電／電歪素子２１は、板状であって、噴射部１１の対向壁１１ｂ２の外側面（気体供給空間１１ｃの反対側の面）に固定されている。即ち、圧電／電歪素子２１は、外気中に露呈された壁（対向壁１１ｂ２）の外面の一部に固定されている。圧電／電歪素子２１の電極に電気制御装置から前述した圧電素子駆動電圧信号が印加されると、圧電／電歪素子２１は対向壁１１ｂ２を変形させ、これにより板体１１ａを気泡噴射装置１０の場合と同様に変位させる。

圧電／電歪素子２１の平面視における形状は、図５の２−２線に沿った平面にて気泡噴射装置２０を切断した図６に示したように、略長方形である。圧電／電歪素子２１の中央には貫通孔２１ａが形成されている。この貫通孔２１ａの中心軸はパイプＰの中心軸と一致している。また、貫通孔２１ａの直径はパイプＰの外径より大きくなっている。

このように構成された気泡噴射装置２０は、気泡噴射装置１０と同様に微小気泡を確実に噴射することができる。更に、気泡噴射装置２０によれば、液体Ｗが気体噴射孔１１ａ１内及び気体供給空間１１ｃ内に進入した場合であっても、圧電／電歪素子２１が液体Ｗに接しない。この結果、圧電／電歪素子２１と液体Ｗとの相互作用による圧電／電歪素子２１の劣化を考慮する必要がない。従って、気泡噴射装置２０は、より多くの種類の液体に対して気泡を発生することができるとともに耐久性に優れた装置となっている。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る気泡噴射装置３０について図７及び図８を参照しながら説明する。この気泡噴射装置３０は、噴射部３１が液槽ＥＳに対して弾性変形可能な部材３３ａ（又は弾性変形可能な部分３３ａ１）を介して支持されるとともに、その弾性部材又は弾性部分を振動させるように圧電／電歪素子３２が固定されている点において第１実施形態の気泡噴射装置１０と相違している。従って、以下、この相違点を中心に説明する。なお、図７及び図８において、気泡噴射装置１０が備える構成部材と同一の部材については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

気泡噴射装置３０は、液槽ＥＳの底に配置され、噴射部３１と、圧電／電歪素子３２と、支持部３３とを備えている。更に、気泡噴射装置３０は、気泡噴射装置１０と同様、圧力調整手段１３と、圧力検出手段１４と、電気制御装置１５とを備えている。

噴射部３１は、板体（噴射板）３１ａ、側壁３１ｂ及び対向壁３１ｃからなっている。

板体３１ａは、液槽ＥＳの底の一部をなすように配置されている。図７の３−３線に沿った平面にて液槽ＥＳ及び気泡噴射装置３０を切断した断面図である図８に示したように、板体３１ａの平面視における形状はＸ軸及びＹ軸方向に沿った辺を有する長方形である。

板体３１ａには、板体１１ａと同様に、気体噴射孔３１ａ１として機能する貫通孔が複数（ここでは四個）形成されている。気体噴射孔３１ａ１の一端は気体噴射口３１ａ２を構成している。気体噴射口３１ａ２は、液槽ＥＳ内の液体Ｗ中に露呈されるように配置されている。

側壁３１ｂは、板体３１ａの周辺部から立設している。対向壁３１ｃは、側壁３１ｂに連接され、板体３１ａと対向している。これにより、板体３１ａ、側壁３１ｂ及び対向壁３１ｃは、略直方体形状の気体供給空間を形成している。対向壁３１ｃの中央部には気体供給穴Ｈが形成されている。気体供給穴Ｈは、パイプＰに接続されている。気体供給空間には、このパイプＰ及び気体供給穴Ｈを介して噴射すべき気体ＧＳが供給される。

支持部３３は、支持板３３ａと外周壁３３ｂとからなっている。
支持板３３ａは板体であり、その外形は平面視において長方形であり、中央に略正方形の穴を有している。支持板３３ａの内周部は（側壁３１ｂを介して）板体３１ａの外周部と連接されている。支持板３３ａの上面は板体３１ａの上面と同一面上に存在し、液槽ＥＳの底の一部をなすように配置されている。支持板３３ａの厚みは、板体３１ａの外周部との接続部において他の部分より小さくなっている。この厚みが小さい部分は、弾性変形可能な薄肉部３３ａ１となっている。支持板３３ａの外周部（側壁３１ｂ）は外周壁３３ｂと連接している。外周壁３３ｂは支持板３３ａの外周から立設されている。外周壁３３ｂの外周部は液槽ＥＳの底壁に固定されている。

以上の構成により、板体３１ａは弾性変形可能な部材である支持板３３ａ（又は弾性変形可能な部分である薄肉部３３ａ１）を介して液槽ＥＳに支持されている。

圧電／電歪素子（ここでは、分極方向を有する圧電素子）３２は、板体３１ａを振動させるためのアクチュエータとして機能する。圧電／電歪素子３２は板状である。圧電／電歪素子３２の平面視における外形は、図８に示したように、外周壁３３ｂの内周よりも僅かに小さい略長方形である。圧電／電歪素子３２は、中央部に支持板３３ａの薄肉部３３ａ１の外形より僅かに大きい貫通穴を有する形状となっている。圧電／電歪素子３２は、支持板３３ａの薄肉部３３ａ１を除く部分であって液体Ｗが存在しない側の面に固着されている。

圧電／電歪素子３２の図示しない電極には、図示しない導線を介して電気制御装置１５から圧電素子駆動電圧信号が供給されるようになっている。圧電／電歪素子３２は、圧電素子駆動電圧信号に応答して収縮又は伸長し、支持板３３ａの薄肉部３３ａ１を変形せしめ、これにより、板体３１ａを液体Ｗ内に向う方向及び同方向とは反対方向に変位させるようになっている。

以上のように構成された気泡噴射装置３０は、気泡噴射装置１０と同様に微小気泡を確実に噴射することができる。更に、気泡噴射装置３０によれば、噴射部３１の板体（噴射板）３１ａが弾性変形可能な部材又は部分（支持板３３ａ）を介して液槽ＥＳに支持されているので、圧電／電歪素子３２の消費電力を小さくしても板体３１ａの振動の変位（振幅）を大きくすることができる。

また、圧電／電歪素子３２は、弾性変形可能な部材である支持板３３ａに固定されている。従って、圧電／電歪素子３２は、より一層効率的に板体３１ａを振動させることができるので、気泡噴射装置３０の消費電力をより低減することができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る気泡噴射装置４０について図９を参照しながら説明する。この気泡噴射装置４０は、気泡噴射装置１０の板体１１ａと圧電／電歪素子１２とを一体化させた点のみにおいて、気泡噴射装置１０と相違している。即ち、気泡噴射装置４０においては、噴射板として機能する気体噴射孔４１ａを備えた板体が圧電／電歪素子４１により構成され、その気体噴射孔４１ａの一端である気体噴射口４１ｂが液体Ｗ中に露呈されている。

これによれば、板体と圧電／電歪素子とが一つの部材（圧電／電歪素子４１）により構成されることになるので、部品点数を削減することができる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態に係る気泡噴射装置５０について図１０を参照しながら説明する。この気泡噴射装置５０は、気泡噴射装置１０の板体１１ａに代わる板体５１を備えている。この板体５１は、気体噴射孔１１ａ１と同様の気体噴射孔５１ａを複数個備えている。そして、その気体噴射孔５１ａの一端に形成される気体噴射口５１ｂの周囲であって板体５１の面上（液体Ｗに露呈する側の面上）に液体Ｗと濡れ性が良好な親液層５２が形成されている。

これによれば、板体５１が振動するとき、液体Ｗが気体噴射孔５１ａ内に入り易くなるとともに、気泡が気体噴射口５１ｂの周囲から離れ易くなる。この結果、より小さな気泡が噴射され得る。なお、気泡噴射装置５０においては、親液層５２が板体５１の全面に形成されていたが、親液層５２は少なくとも気体噴射口５１ｂを囲むように形成されていればよい。

＜第６実施形態＞
ところで、気泡噴射装置１０の圧電／電歪素子１２は、実際には図１１に示したように、素子の上面及び下面に一対の対向する上部電極１２Ｕ及び下部電極１２Ｌが形成され、これらの電極間に圧電素子駆動電圧信号が付与されることにより収縮及び伸長する素子であった。これに対し、本発明の第６実施形態に係る気泡噴射装置６０は、図１２に示したように、このような圧電／電歪素子１２に代えて圧電／電歪素子６２を採用した装置である。

圧電／電歪素子６２は、層状の圧電／電歪素子部６２ｓと層状の電極６２ｍとが交互に多層にわたり積層された「積層ピエゾアクチュエータ」である。この積層型の圧電／電歪素子６２は、大きな駆動力（板体１１ａを変形させる力）を発生できる。従って、板体１１ａをより一層確実に振動させることができる。

＜気体噴射孔の変形例＞
次に、上述した各板体に形成される各気体噴射孔の変形例について図１３及び図１４を参照しながら説明する。この変形例に係る気体噴射孔１１ａ１’は、その中心軸（気体噴射方向、Ｚ軸正方向）に直交する平面にて切断した断面である図１３に示したように、周部に複数の溝ｍｚを有している。即ち、この変形例は、気体噴射孔１１ａ１’を構成する板体１１ａの貫通孔の側壁面に気体噴射方向に延びる溝ｍｚが複数形成されたものである。

これによれば、図１４に示したように、噴射される直前の気泡の気液界面Ｍ（メニスカス）に細かな凹凸部を形成することができる。この結果、気泡ＦＧは、形成された凹凸部の大きさの気泡となって離脱するから、より微小な気泡を発生させることができる。

＜圧電／電歪素子駆動方法の第１変形例＞
次に、上述した圧電／電歪素子の駆動方法（圧電素子駆動電圧信号）の第１変形例について図１５を参照しながら説明する。なお、以下の圧電／電歪素子駆動方法は、上述した各実施形態に適用可能であるが、ここでは、便宜上、第１実施形態を例にとって説明する。

この第１変形例において、電気制御装置１５は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間に圧電素子駆動電圧信号を基準電圧Ｖ０（例えば、０Ｖ）から負の電圧−Ｖ２に向けて減少させた後、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間に素子駆動電圧信号を電圧−Ｖ２から基準電圧Ｖ０に向けて増大させる。これにより、圧電／電歪素子１２は一度だけ圧縮及び伸長動作を行う。この時刻ｔ１から時刻ｔ３までが圧電駆動周期Ｔｓである。

そして、電気制御装置１５は、圧電駆動時間Ｔｓに比べて十分に長い間欠駆動周期Ｔintが経過した時刻ｔ４になると、時刻ｔ６までの間に時刻ｔ１から時刻ｔ３までの間と同じように圧電素子駆動電圧信号を変化させる。

この第１変形例によれば、圧電／電歪素子１２は、間欠駆動周期Ｔintが経過する毎に、一回の圧縮動作及び一回の伸長動作からなる圧電動作を一回行う。従って、板体１１ａは最初に液体Ｗから遠ざかる方向（Ｚ軸負方向）に移動する。このとき、気体噴射孔１１ａ１近傍に存在していた気液界面が液体Ｗ中に膨出し、微小気泡が形成される。また、このように発生させられる気泡は小さいので、液体中での上昇速度が小さい。これに対し、第１変形例は、噴射動作を間欠的（周期Ｔint毎）に行うことによって一つの気体噴射孔１１ａ１から時間的に前後して噴射される微小気泡間の距離を大きくとることができるので、これらの気泡が液体Ｗ中で結合してしまうことを回避することができる。

＜圧電／電歪素子駆動方法の第２変形例＞
次に、上述した圧電／電歪素子の駆動方法（圧電素子駆動電圧信号）の第２変形例について図１６を参照しながら説明する。

この第２変形例は、間欠駆動周期Ｔint毎に複数回連続的に圧電／電歪素子１２の圧縮・伸長動作を発生させる圧電素子駆動電圧信号を同圧電／電歪素子１２に供給するものである。第２変形例は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間に圧電素子駆動電圧信号を基準電圧Ｖ０から電圧Ｖ２だけ増大した後に直ちに基準電圧Ｖ０まで減少させ、その圧電素子駆動電圧信号を連続的に繰り返し発生する（図１６の例では２回）。換言すると、時刻ｔ１から時刻ｔ２までが一回の圧電駆動の周期Ｔｓであるから、第２変形例は一回の噴射動作において複数数周期（ｎ・Ｔｓ，ｎは２以上の整数）連続して圧電駆動を繰り返す。

この第２変形例によれば、圧電／電歪素子１２は、間欠駆動周期Ｔintが経過する毎に、一回の圧縮動作及び一回の伸長動作からなる一回の圧電動作を連続して複数回行う。従って、圧電／電歪素子１２の一回の圧縮及び伸長動作により気体噴射孔１１ａ１内において気液界面に小さなくびれ部が発生し、引き続く圧電／電歪素子１２の圧縮及び伸長動作によってそのくびれ部が次第に大きくなり、その結果、その成長したくびれ部から気体の一部が離脱して微小気泡となる。従って、第２変形例は、気体噴射孔１１ａ１の直径よりも相当に小さい直径を有する気泡を発生させることができる。また、第２変形例も、噴射動作を間欠的（周期Ｔint毎）に行う。従って、気泡が液体中で結合してしまうことを回避することができる。

＜圧電／電歪素子駆動方法の第３変形例＞
次に、上述した圧電／電歪素子の駆動方法（圧電素子駆動電圧信号）の第３変形例について図１７を参照しながら説明する。

この第３変形例の電気制御装置１５は、基準電圧Ｖ０から所定電圧Ｖ３だけ増大し、次いで、基準電圧Ｖ０から所定電圧Ｖ３だけ小さい電圧まで減少し、その後、基準電圧Ｖ０に戻る基準噴射信号（図１７の時刻ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４を参照。）に、微小振動する電圧信号（微小電圧信号）を重畳させた圧電素子駆動電圧信号を発生するようになっている。この場合、基準噴射信号が間欠駆動周期Ｔint毎に大きく変化することにより、一回の噴射動作が行われて気泡の噴射が行われる。微小電圧信号は、基準噴射信号の振幅より極めて小さい振幅を有し、基準噴射信号の周期よりも極めて短い周期（高い周波数）をもって変化する信号である。微小電圧信号は噴射動作に拘わらず常に発生している。

この駆動電圧信号により、気体噴射孔を備える板体１１ａが、噴射動作における振動よりも短い周期且つ小さい振幅の微小振動を同噴射動作における振動に重畳して行う。

これによれば、噴射動作により発生した気泡を、微小振動によって更に細かく分断することができる。更に、板体１１ａの表面によって板体１１ａ表面近傍に存在する液体Ｗを微小振動させることができるから、液体Ｗが気体噴射孔１１ａ１内に容易に進入することができる。更に、板体１１ａの微小振動によって気泡を気体噴射孔１１ａ１から離脱させ易くすることができる。この結果、より微小な気泡を噴射することができる。

＜圧電／電歪素子駆動方法の第４変形例＞
圧電／電歪素子の駆動方法（圧電素子駆動電圧信号）の第４変形例は、上述した各圧電素子駆動電圧信号（第３変形例においては基本噴射信号）の振幅を、圧力センサ１４が検出する液槽ＥＳの底における液体Ｗの圧力Ｐｗ（従って、気体噴射口１１ａ２近傍の液体圧力）に基づいて変化させ、これにより、噴射動作における板体１１ａの振幅を変更する方法である。この場合、例えば、圧力Ｐｗが大きいほど、板体１１ａの振幅を大きくするとよい。

これによれば、気液界面の位置を気体噴射口１１ａ２に対して適切に移動させることができるので、液体圧力Ｐｗが変化しても微小気泡を確実に噴射することができる。

以上、説明したように、本発明の各実施形態に係る気泡噴射装置によれば、気体噴射孔を備えた板体を振動させるので、微小気泡を確実に発生させることができる。なお、本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。

例えば、上記各実施形態の板体（噴射板）はセラミックスにより形成されていたが、金属から構成することもできる。

金属は容易に加工することができる特性を有するので、例えば、気体噴射口１１ａ２が形成された板体１１ａの噴射面を曲面等にすることにより、気泡の噴射方向（気体噴射孔の中心軸の軸線方向）を自由に設定することができる。これにより、一つの気体噴射孔１１ａ１から噴射された気泡が液体中を進行するほど他の気体噴射孔１１ａ１から噴射された気泡から離れるように、一つの気体噴射孔１１ａ１から噴射される気泡の噴射方向と他の気体噴射孔１１ａ１から噴射される気泡の噴射方向を設定できる。その結果、噴射された気泡が液体中で再結合する可能性を低減した気泡噴射装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る気泡噴射装置の縦断面図である。 図１の１−１線に沿った平面にて液槽を切断した断面図である。 図１に示した気泡噴射装置の板体の変位及び圧電素子駆動電圧信号を示したタイムチャートである。 図４（Ａ）は図１に示した板体が変位していない場合の気液界面の様子、図４（Ｂ）は図１に示した板体が液体に向けて変位した場合の気液界面の様子、図４（Ｃ）は図１に示した板体が液体から離れる方向に変位した場合の気液界面の様子を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る気泡噴射装置の縦断面図である。 図５の２−２線に沿った平面にて気泡噴射装置を切断した断面図である。 本発明の第３実施形態に係る気泡噴射装置の縦断面図である。 図７の３−３線に沿った平面にて気泡噴射装置を切断した断面図である。 本発明の第４実施形態に係る気泡噴射装置の部分縦断面図である。 本発明の第５実施形態に係る気泡噴射装置の部分縦断面図である。 図１に示した気泡噴射装置の部分縦断面図である。 本発明の第６実施形態に係る気泡噴射装置の部分縦断面図である。 気体噴射孔の変形例を示す同気体噴射孔の断面図である。 図１３に示した気体噴射孔から気泡が噴射される際の様子を示した図である。 圧電／電歪素子の駆動方法（圧電素子駆動電圧信号）の第１変形例を示したタイムチャートである。 圧電／電歪素子の駆動方法（圧電素子駆動電圧信号）の第２変形例を示したタイムチャートである。 圧電／電歪素子の駆動方法（圧電素子駆動電圧信号）の第３変形例を示したタイムチャートである。

符号の説明

１０…気泡噴射装置、１１…噴射部、１１ａ…板体、１１ａ１…気体噴射孔、１１ａ２…気体噴射口、１１ｂ…壁、１１ｂ１…側壁、１１ｂ２…対向壁、１１ｃ…気体供給空間、１２…圧電／電歪素子、１２ａ…貫通孔、１３…圧力調整手段、１４…圧力センサ（圧力検出手段）、１５…電気制御装置、２０…気泡噴射装置、２１…圧電／電歪素子、２１ａ…貫通孔、３０…気泡噴射装置、３１…噴射部、３１ａ…板体、３１ａ１…気体噴射孔、３１ａ２…気体噴射口、３１ｂ…側壁、３１ｃ…対向壁、３２…圧電／電歪素子、３３…支持部、３３ａ…支持板（支持部材）、３３ａ１…薄肉部、３３ｂ…外周壁、４０…気泡噴射装置、４１…圧電／電歪素子、４１ａ…気体噴射孔、４１ｂ…気体噴射口、５０…気泡噴射装置、５１…板体、５１ａ…気体噴射孔、５１ｂ…気体噴射口、５２…親液層、６０…気泡噴射装置、６２…電歪素子、６２ｍ…電極、６２ｓ…電歪素子部、ＥＳ…液槽、ＦＧ…微小気泡、ＧＳ…気体、Ｍ…気液界面、Ｗ…液体、Ｈ…気体供給穴、ｍｚ…溝。

Claims (17)

1. 一端が気体噴射口を構成する気体噴射孔としての貫通孔を備えてなり少なくとも同気体噴射口が液槽内の液体中に露呈される板体と、同板体に連続する壁と、を含み同板体と同壁とにより同気体が供給される気体供給空間を形成する噴射部と、
   駆動信号に応答して前記板体を振動させる圧電／電歪素子と、
   前記駆動信号を発生する駆動信号発生手段と、
   前記気体噴射口近傍に前記気体と前記液体との気液界面が形成されるように前記気体供給空間内の気体の圧力を調整する圧力調整手段と、
   を備え、
   前記圧電／電歪素子によって前記板体を振動させることにより前記液槽内の液体中に前記気体を前記気体噴射孔から微細気泡として噴射する気泡噴射装置。
2. 請求項１に記載の気泡噴射装置において、
   前記噴射部は、
   少なくとも前記壁の外面の一部が外気に露呈されるように配置され、
   前記圧電／電歪素子は、
   前記外気中に露呈された前記壁の外面の一部に固定された気泡噴射装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の気泡噴射装置であって、
   前記噴射部は、
   前記板体が弾性変形可能な部材又は部分を介して前記液槽に支持されるように構成された気泡噴射装置。
4. 請求項３に記載の気泡噴射装置において、
   前記圧電／電歪素子は、
   前記弾性変形可能な部材又は部分を振動させる位置に固定されている気泡噴射装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の気泡噴射装置であって、
   前記圧力調整手段は、
   前記板体の気体噴射口近傍における前記液槽内の液体の圧力に基づいて前記気体の圧力を調整するように構成された気泡噴射装置。
6. 請求項１に記載の気泡噴射装置であって、
   前記噴射部の板体が前記圧電／電歪素子により構成されている気泡噴射装置。
7. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の気泡噴射装置において、
   前記噴射部の板体がセラミックスからなる気泡噴射装置。
8. 請求項７に記載の気泡噴射装置において、
   前記板体と前記圧電／電歪素子とが一体焼成により形成された気泡噴射装置。
9. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の気泡噴射装置において、
   前記噴射部の板体が金属からなる気泡噴射装置。
10. 請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の気泡噴射装置であって、
    少なくとも前記気体噴射口の周囲の前記板体の面上に前記液体と濡れ性が良好な親液層が形成された気泡噴射装置。
11. 請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載の気泡噴射装置において、
    前記圧電／電歪素子は、
    層状の圧電／電歪素子部と層状の電極とが交互に多層にわたり積層された素子である気泡噴射装置。
12. 請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の気泡噴射装置において、
    前記気体噴射孔を構成する前記板体の貫通孔の側壁面に気体噴射方向に延びる溝が複数形成された気泡噴射装置。
13. 請求項１乃至請求項１２の何れか一項に記載の気泡噴射装置において、
    前記駆動信号発生手段は、
    前記板体が前記液体に向けて変位した後に反対方向に変位する噴射動作を行うように前記駆動信号を発生する気泡噴射装置。
14. 請求項１３に記載の気泡噴射装置において、
    前記駆動信号発生手段は、
    前記噴射動作を間欠的に行うように前記駆動信号を発生する気泡噴射装置。
15. 請求項１乃至請求項１２の何れか一項に記載の気泡噴射装置において、
    前記駆動信号発生手段は、
    前記圧電／電歪素子が圧縮及び伸長を複数回行うことにより前記気体噴射孔の一つから一つの気泡が噴射される噴射動作を間欠的に行うように前記駆動信号を発生する気泡噴射装置。
16. 請求項１３乃至請求項１５の何れか一項に記載の気泡噴射装置において、
    前記駆動信号発生手段は、
    前記板体が、前記噴射動作における振動よりも短い周期且つ小さい振幅の微小振動を同噴射動作における振動に重畳して行うように前記駆動信号を発生する気泡噴射装置。
17. 請求項１３乃至請求項１６の何れか一項に記載の気泡噴射装置において、
    前記駆動信号発生手段は、
    前記板体の気体噴射口近傍における前記液槽内の液体の圧力に基づいて前記噴射動作における前記板体の振幅を変更する駆動信号を発生するように構成された気泡噴射装置。
    

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