JP6210630B2 - 微小バブル発生装置、微小吐出孔ノズル及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、除染等に供されるマイクロバルブなどの微小バブルを発生させる微小バブル発生装置、微小バブル発生装置に供される微小吐出孔ノズル及びその製造方法に関する。

マイクロ・バブルは数十マイクロメートル以下の微小気泡である。通常水中で発生する気泡サイズは、数ミリ程度の直径であり、マイクロ・バブルと通常のバブルとを比較すると、通常のバブルは水中で発生させた後、水面まで上昇して破裂消滅するが、マイクロ・バブルは、その体積が微小なため上昇スピードが遅く水中の滞留時間が長くなる。

マイクロ・バブルは自己加圧効果がある。自己加圧効果とは、バブルの気液界面に働く表面張力によってバブル内部の圧力が上昇し、凝集され、水面に達する前に圧縮消滅する現象のことである。気液界面では数十気圧以上に加圧されていると言われている。

加えてマイクロ・バブルは−30mV〜−50mV程度の電荷を帯びているためマイクロ・バブル同士互いに反発し合い、バブル同士が結合することなく圧縮消滅するまで水中に滞在する。

マイクロ・バブルは、電荷を帯びながらかつ水中で滞在し、自己消滅する奇抜な能力を利用して、その応用例は水質改善や毛細血管の造影剤、細胞活性化などあげられている。

このようなマイクロ・バブルを発生するためには、従来いくつかの手法があった。

一つの手法として、特許文献１に記載されており、多孔質体を通して液体に気体を吹き込む方法である。この方法では、コンプレッサなどの気体供給装置から、水が流れる管に多孔質体を通して気体を供給しマイクロ・バブルを発生させている。

他の手法として、特許文献２に貴指されており、気泡表面にせん断力を加えて気泡を引きちぎる方法である。

しかし、多孔質体を用いたマイクロ・バブル発生装置では、多孔質体から気泡が離脱しにくいため、発生する気泡が多孔質体の孔径より大きくなり、微小な気泡が発生させられないことが課題であった。

また、気泡表面のせん断力を用いる方法では、液体に旋回流を与えたりすることにより、圧力損失が大きくなるとともに、液体中の気体の割合が、多孔質体を用いた場合と比べて低くなってしまうことが課題であった。

これらの課題を解決するものとして、特許文献３に記載の手法が有り、マイクロ・バブルの径よりも小さい出口開口を備えた管状体を、液体に対して管軸方向又は管軸直交方向へ振動させ、出口開口に隣接する気泡が成長して大きくなりすぎる前に引きちぎられるようにしてマイクロ・バブルを発生させるものである。

しかし、単に管状体の振動により出口開口の気泡を引きちぎるものであるため、マイクロ・バブルなどの微小バブルをどのように発生させるかなどの制御自由度に限界を招いていた。

特開平８−２２５０９４号公報 特開２００３−２０５２２８号公報 特開２００７−２５３０００号公報

解決しようとする問題点は、微小バブルをどのように発生させるかなどの制御自由度に限界を招いていた点である。

本発明は、微小バブル発生の制御自由度を向上させるために、板状体に備えられた微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させる微小バブル発生装置であって、前記加圧ガスの圧力を設定するガス圧設定部と、前記板状体を前記吐出孔の孔軸方向へ振動させる振動発生部と、前記振動発生部の振幅及び周波数を制御する振動発生制御部とを備え、前記板状体は、前記吐出孔を中央とした凹状の曲面で形成され、前記曲面が前記吐出孔の孔軸延長線上に指向し、前記吐出孔の微小径の設定と前記加圧ガスの圧力の設定と前記振動発生部の振幅及び周波数の制御とにより前記微小バブルを形成することを微小バブル発生装置の特徴とする。

本発明は、板状体に形成された微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させるための微小吐出孔ノズルであって、前記板状体を前記吐出孔の孔軸方向へ振動させる振動発生部を備えたことを微小吐出孔ノズルの特徴とする。

本発明は、板状体に形成された微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させるための微小吐出孔ノズルの製造方法であって、板状体に金属箔を接合し、前記吐出孔を、前記金属箔側がより小径となって吐出先端側を構成するように前記板状体及び金属箔に渡って形成したことを微小吐出孔ノズルの形成方法の特徴とする。

本発明の微小バブル発生装置は、上記構成であるから、吐出孔の微小径の設定と加圧ガスの圧力の設定と振動発生部の振幅及び周波数の制御とにより微小バブルを形成することで、微小バブルを直線的に所定間隔で整然と吐出させる等、微小バブル発生の制御自由度を向上できる。

本発明の微小吐出孔ノズルは、上記構成であるから、微小バブル発生装置に用いて微小バブル発生の制御自由度を向上に寄与できる。

本発明の微小吐出孔ノズルの製造方法は、上記構成であるから、微小バブル発生装置に用いる微小径の吐出孔を有するノズルを形成することができる。

微小バブル発生装置を液槽に配置した概略図である。（実施例１） 微小バブル発生装置の概略図である。（実施例１） （Ａ）は、微小吐出孔ノズルの断面図、（Ｂ）は、微小吐出孔ノズルの内面を示す要部平面図である。（実施例１） （Ａ）〜（Ｌ）は、吐出孔形状のバリエーションを示す説明図である。（実施例１） （Ａ）は、圧電素子の概略断面図、（Ｂ）は、吐出孔を備えた圧電素子の概略断面図、（Ｃ）は、吐出孔に吐出先端孔を形成した圧電素子の概略断面図である。（実施例１） 吐出先端側から見た圧電素子の概略断面図である。（実施例１） （Ａ）は、ユニモルフ構造の圧電素子の中心部にレーザー・ビームを照射する状態の断面図、（Ｂ）は、同吐出孔を形成した状態を示す断面図、（Ｃ）は、吐出孔を示す要部正面画像である。（実施例１） （Ａ）は、ユニモルフ構造の圧電素子に金属箔を接着した状態を示す断面図、（Ｂ）は、集束イオン・ビームにより金属箔に吐出孔を形成する状態を示す断面図、（Ｃ）は、金属箔に吐出孔が形成された状態を示す断面図、（Ｄ）は、金属箔の吐出孔を示す要部正面画像である。（実施例１） （Ａ）は、金属箔側にイオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物を形成する状態を示す説明図、（Ｂ）は、金属箔側の吐出先端側が堆積物でより小径に形成された状態を示す要部正面画像である。（実施例１） 図７の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、（Ａ）〜（Ｄ）へ順に周波数を高めた結果の画像である。（実施例１） 図８の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、（Ａ）、（Ｂ）と順にガス圧力を高めた結果の画像である。（実施例１） 図９の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、（Ａ）、（Ｂ）と順に周波数を高めた結果の画像である。（実施例１） 図９の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、図１２（Ｂ）よりも（Ａ）、（Ｂ）と順に周波数を高めた結果の画像である。（実施例１） 微小バブルの発生を示し、（Ａ）は、微小吐出孔ノズルから斜め上昇方向へ放出される数百μｍサイズの微小バブルの状況、（Ｂ）は、微小吐出孔ノズルから水面へ直行するように放出されるバブルの状況を示す画像である。 ガス圧１０ｋＰａから１００ｋＰａの変化に対するバブル個数を示すグラフである。 ガス圧５ｋＰａで微小吐出孔ノズルから放出される微小バブルの挙動を示す画像である。 微小吐出孔ノズルから放出される微小バブルの周波数依存性を示す画像である。 周波数に対する微小バブルの発生量を示すグラフである。 微小吐出孔ノズルから放出される微小バブルの速さを示すグラフである。 微小吐出孔ノズルの周波数−アドミタンス測定による共振周波数のグラフである。 レーザー・ドップラによる微小吐出孔ノズルの駆動モード測定結果を示す説明図である。 ユニモルフ構造の圧電素子に吐出孔を複数形成した状態を示す概略正面図である。（実施例１） 圧電素子を重ねて振動発生部とした微小吐出孔ノズルの概略断面図である。（実施例１） ランジュバン振動子を振動発生部とした微小吐出孔ノズルの概略断面図である。（実施例１） 圧電素子を重ねて振動発生部とした微小吐出孔ノズルの概略断面図である。（実施例１） 電磁コイル及び磁石を振動発生部とした微小吐出孔ノズルの概略断面図である。（実施例１） インパルス放電装置を振動発生部とした微小吐出孔ノズルの概略断面図である。（実施例１） 針状ノズルを用いた微小吐出孔ノズルの概略断面図である。（実施例１） 針状ノズルを板状体に取り付けた状態の斜視図である。（実施例１） 圧電素子の斜視図である。（実施例１） 針状ノズルの製造を示す説明図である。（実施例１） 可塑性円管体の引き延ばしの説明図である。（実施例１） 針状ノズルの吐出先端側が堆積物でより小径に形成された状態を示す要部概略断面図である。（実施例１） 針状ノズルを備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの発生状況を示し、発振の結果を示す画像である。（実施例１） 針状ノズルを備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの発生状況を示し、発振後の結果を示す画像である。（実施例１） （Ａ）は、針状工具と共に示す微小吐出孔ノズルの概略断面図、（Ｂ）は、微小吐出孔ノズルを圧電素子側から見た内面図である。（実施例１） （Ａ）〜（Ｃ）は、吐出孔形状のバリエーションを示す説明図である。（実施例１） （Ａ）は、針状工具と共に示す微小吐出孔ノズルの概略断面図、（Ｂ）は、微小吐出孔ノズルを圧電素子側から見た内面図である。（実施例１） （Ａ）は、微小吐出孔ノズルの概略断面図、（Ｂ）は、微小吐出孔ノズルを圧電素子側から見た内面図である。（実施例１） 吐出孔の振動に対して交差する方向へ振動させる補助振動発生部を備えた構造を示し、（Ａ）は、要部概略断面図、（Ｂ）は、ユニモルフ構造の圧電素子に吐出孔を複数形成した状態を示す概略正面図である。（実施例２） 吐出孔の振動に対して交差する方向へ振動させる補助振動発生部を備えた構造を示し、（Ａ）は、要部概略断面図、（Ｂ）は、圧電素子に吐出孔を形成した状態を示す概略正面図である。（実施例２） 吐出孔の振動に対して交差する方向へ振動させる補助振動発生部を備えた構造を示し、（Ａ）は、要部概略断面図、（Ｂ）は、要部概略正面図である。（実施例２） 吐出孔を中央とした凹状の曲面で形成された振動発生部を示す概略断面図である。（実施例３） 吐出孔を中央とした凹状の曲面で形成された振動発生部を示す概略断面図である。（実施例３） 吐出孔から吐出される微小バブルに外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部を設けた構造を示す概略構成図である。（実施例４） 吐出孔から吐出される微小バブルに外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部を設けた構造を示す概略構成図である。（実施例４） 吐出孔から吐出される微小バブルに外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部を設けた構造を示す概略構成図である。（実施例４）

微小バブル発生の制御自由度を向上させるというい目的を、加圧ガスを微小径の吐出孔２３から液体中に送り出して微小バブルを発生させる微小バブル発生装置１であって、吐出孔２３は、加圧ガスの圧力を受ける板状体である圧電素子９に形成され、加圧ガスの圧力を設定するガス供給源１１と、吐出孔２３を孔軸方向へ振動させる圧電素子９と、圧電素子９の振幅及び周波数を制御する電圧発生部１５とを備え、吐出孔２３の微小径の設定と加圧ガスの圧力の設定と圧電素子９の振幅及び周波数の電圧発生部１５による制御とにより微小バブルを形成することにより実現した。

［微小バブル発生装置］
図１は、微小バブル発生装置を液槽に配置した概略図、図２は、微小バブル発生装置の概略図である。

図１のように、微小バブル発生装置１の微小吐出孔ノズル３を取り付けた管体５が水などの液体が収容された液槽７に配置されている。

図２のように、微小バブル発生装置１は、管体５の先端に微小吐出孔ノズル３が取り付けられ、微小吐出孔ノズル３には、板状体として、例えばユニモルフ構造の圧電素子９が取り付けられている。

管体５には、ガス供給源１１が接続され、管体５内に加圧ガスを制御して供給できるようになっている。ガス供給源１１は、加圧ガスの圧力を設定するガス圧設定部を構成する。

圧電素子９には、増幅器１３を介して電圧発生部１５が接続され、圧電素子９に振幅、周波数の設定された設定周期の電圧印加が可能となっている。圧電素子９に設定周期、振幅の電圧印加を行うと、微小吐出孔ノズル３の吐出孔２３を含めて圧電素子９が孔軸方向へ振動する。この振動は、本実施例において圧電素子９の屈曲振動であり、且つ吐出孔２３を孔軸方向へ振動させる。

したがって、圧電素子９は、振動発生部を構成し、電圧発生部１５は、圧電素子９への印加電圧の振幅及び周波数を制御する振動発生制御部を構成する。

かかる微小バブル発生装置１により、加圧ガスを微小吐出孔ノズル３から液体中に送り出して微小バブルを発生させることができる。この微小バブルの形成には、微小吐出孔ノズル３の吐出孔の微小径の設定と、ガス供給源１１による加圧ガスの圧力の設定、電圧発生部１５による圧電素子９の振幅及び周波数の制御とが行われる。加圧ガスの圧力の設定は、圧力数ｋＰａから数ＭＰａまでの範囲で吐出孔２３の直径や形状及び励振量に適合さる設定を行ない、微小バブルの直径を調整する。本実施例において、設定される加圧ガスの圧力は、微小径の吐出孔２３から加圧ガスが吐出しない程度の正圧である。但し、加圧ガスの圧力の設定により吐出孔２３から加圧ガスを吐出させても良い。

図３は、（Ａ）は、微小吐出孔ノズルの断面図、（Ｂ）は、微小吐出孔ノズルの内面を示す要部平面図である。

図３のように、圧電素子９は、例えば円形に形成され、圧電セラミック１７が、ＳＵＳ等の金属板１９に接着され、金属板１９の外周部が微小吐出孔ノズル３のノズル本体３ａに支持されている。この支持により、圧電素子９は吐出孔２３に対し孔軸方向へ屈曲振動するようになっている。

圧電素子９の吐出側には、モリブデン箔などの金属箔２１が接着され、圧電素子９に付随して板状体を構成している。

圧電素子９は、セラミックや水晶の板状圧電素子やバイモルフ構造を採用することもでき、同様に吐出孔を形成することができる。その他、ランジュバン振動子等については後述する。

圧電素子９には、金属箔２１に渡って微小径の吐出孔２３が中心部に形成されている。吐出孔２３は、金属板１９から圧電セラミック１７までの内側吐出孔２３ａと金属箔２１の吐出先端側の外側吐出孔２３ｂとが同芯又はほぼ同芯に形成されたものである。

こうして、吐出孔２３は、圧電素子９及び金属箔２１に渡り、金属箔２１側の外側吐出孔２３ｂが内側吐出孔２３ａより小径となって吐出先端側を構成している。内側吐出孔２３ａは、最小径の部分で数μｍ〜数十μｍに形成され、最大径で数十μm〜数mmに形成されている。外側吐出孔２３ｂは、後述する堆積物の形成を含めて数ｎｍ〜数μｍの径に形成されている。

内側吐出孔２３ａは、外側吐出孔２３ｂへ向かって漸次縮径するホーン形状に形成され、内面にガイド溝２３ａａが放射状に形成されている。ガイド溝２３ａａは、多少螺旋状に形成されている。外側吐出孔２３ｂのホーン形状及び螺旋状のガイド溝２３ａａにより加圧ガスを外側吐出孔２３ｂへ向けて集束させ易くなっている。

なお、外側吐出孔２３ｂはストレートに形成することもでき、ガイド溝２３ａａを省略することもできる。
［微小吐出孔ノズルの吐出孔の形成］
図３の微小吐出孔ノズル３の吐出孔２３は、内側吐出孔２３ａの数μｍ〜数十μｍの範囲を、レーザー・ビームで形成し、同数十μm〜数mmの範囲を、３次元切削ラピッドプロトタイプマシンで加工し、外側吐出孔２３ｂの数ｎｍ〜数μｍの範囲を、集束イオン・ビームで形成することができる。

図４（Ａ）〜（Ｌ）は、吐出孔形状のバリエーションを示す説明図である。

図４（Ａ）〜（Ｌ）のように、内側吐出孔２３ａの３次元切削ラピッドプロトタイプマシンでの加工により、円形以外にも、楕円形、多角形、星形、橘形、十字形、Ｙ字形などの任意形状に形成でき、さらに、ガイド溝２３ａａの螺旋状などの立体に成形することも容易である。

吐出孔２３としては、以下のようにして形成することもできる。

図５（Ａ）は、圧電素子の概略断面図、（Ｂ）は、吐出孔を備えた圧電素子の概略断面図、（Ｃ）は、吐出孔に吐出先端孔を形成した圧電素子の概略断面図である。図６は、吐出先端側から見た圧電素子の概略断面図である。

図５（Ａ）の圧電素子９に対してレーザー・ビームにより、図５（Ｂ）のように、吐出孔２３を形成する。次いで、図５（Ｃ）のように、この吐出孔２３の先端側で、圧電素子９に、イオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物２５を形成する。この堆積物２５により、吐出孔２３に、小径の吐出先端孔２３ｃを、図５（Ｃ）、図６のように形成する。

図７（Ａ）は、ユニモルフ構造の圧電素子の中心部にレーザー・ビームを照射する状態の断面図、（Ｂ）は、同吐出孔を形成した状態を示す断面図、（Ｃ）は、吐出孔を示す要部正面画像である。

図７（Ａ）のように、圧電素子９に対してレーザー・ビーム２７を照射し、図７（Ｂ）、（Ｃ）のように、圧電素子９に微小径の吐出孔２３を形成する。

図８（Ａ）は、ユニモルフ構造の圧電素子に金属箔を接着した状態を示す断面図、（Ｂ）は、集束イオン・ビームにより金属箔に吐出孔を形成する状態を示す断面図、（Ｃ）は、金属箔に吐出孔が形成された状態を示す断面図、（Ｄ）は、金属箔の吐出孔を示す要部正面画像である。

図８（Ａ）のように、レーザー・ビームの照射で内側吐出孔２３ａを形成した圧電素子９にモリブデンなどの金属箔２１を接着により固定する。金属板１９は、ノズル本体３ａに接着する。図中、○で囲んだ部分は、接着箇所を示し、接着剤としては、化学反応接着剤などが用いられる。

図８（Ｂ）のように、内側吐出孔２３ａを通して集束イオン・ビーム２９を照射し、図８（Ｃ）、（Ｄ）のように、金属箔２１に、外側吐出孔２３ｂを同芯又はほぼ同芯に形成する。

この図８のようにして、吐出孔２３を、金属箔２１側がより小径となって吐出先端側を構成するように板状体である圧電素子９及び金属箔２１に渡って形成した。

図９（Ａ）は、金属箔側にイオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物を形成する状態を示す説明図、（Ｂ）は、金属箔側の吐出先端側が堆積物でより小径に形成された状態を示す要部正面画像である。

図９（Ａ）のように、金属箔２１に、外側吐出孔２３ｂを形成した圧電素子９に対し、吐出孔２３における外側吐出孔２３ｂの吐出先端側に、集束イオン・ビームとカーボン・ガス（フェナントレン・ガス）３１とを反応させた堆積物２５を形成してより小径にした。

図１０は、図７の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、（Ａ）〜（Ｄ）へ順に周波数を高めた結果の画像である。図１１は、図８の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、（Ａ）、（Ｂ）と順にガス圧力を高めた結果の画像である。図１２は、図９の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、（Ａ）、（Ｂ）と順に周波数を高めた結果の画像である。図１３は、図９の吐出孔を備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの周波数変化による発生状況を示し、図１２（Ｂ）よりも（Ａ）、（Ｂ）と順に周波数を高めた結果の画像である。

図７の微小吐出孔ノズル３の場合、図１０のように、微小バブルを発生させることができ、周波数制御等により微小バブルの発生に変化を与えることができた。

金属箔２１に、さらに小径の外側吐出孔２３ｂを形成した図８の微小吐出孔ノズル３の場合、図１１のように、微小バブルを発生させることができ、ガス圧制御等により微小バブルの発生に変化を与えることができた。

外側吐出孔２３ｂの吐出先端側に、堆積物２５を形成してさらに小径とした図９の微小吐出孔ノズル３の場合、図１２、図１３のように、微小バブルを発生させることができ、周波数制御等により微小バブルの発生に変化を与えることができた。

特に、図９の微小吐出孔ノズル３の場合は、堆積物２５により吐出孔２３の径を数ｎｍ〜数μｍに設定しており、微小バブルの発生状況、気泡の直径を正確に制御できた。
［実験］
図１４は、微小バブルの発生を示し、（Ａ）は、微小吐出孔ノズルから斜め上昇方向へ放出される数百μｍサイズの微小バブルの状況、（Ｂ）は、微小吐出孔ノズルから水面へ直行するように放出されるバブルの状況を示す画像である。

（実験方法）
・圧電素子ノズルの作製
微小吐出孔ノズル（以下、圧電素子ノズルとも称する。）は、圧電素子（村田製作所：7BB-12-9、共振周波数：9.0 ± 1.0kHz、直径：12 mm、厚み：0.22 mm）をレーザー（LOTIS 社製：TII LS2147、 波長：1064 nm、250 mJ/Pulse）照射と、集束イオン・ビーム（セイコーインスツルメンツ：SMI2200）によるカーボンデポジションの２つの工程で作製した。

まず、図５での説明のように、圧電素子の中央部に集光されたＹＡＧレーザを２ショット照射し、深さ方法に数百μｍの穴を貫通させる。次に集束したイオン・ビームとカーボン・ガス（フェナントレンC14H10）を反応させて微細なカーボン生成物を数μｍの精度で堆積させる。この堆積物をレーザーで貫通した穴の周りを覆うことで数百μｍあった穴直径を約３０μｍに縮小した。

加工した圧電素子ノズルは、フランジに接着させ、図１のように、純水で満たされた水槽中に設置した。図９（Ｂ）に圧電素子にマイクロ加工された穴の画像を示している。

・管内圧力（１０ｋＰａ〜１００ｋＰａ）下で発生するバブル挙動の観測
圧電素子ノズルへ窒素ガスで圧力１０ｋＰａ〜１００ｋＰａを加えてノズル部位からバブルを発生させる。また、圧電素子に１５０Ｖ、周波数１２ｋＨｚを印加時のバブルの挙動をハイスピードカメラ（KEYENCE 社製：VW50）によって観測する。観測した画像よりバブル寸法、発生量について求める。

・管内圧力５ｋＰａ下で発生するマイクロ・バブル挙動の観測
圧電素子ノズルへ窒素ガスで５ｋＰａの圧力を加える。５ｋＰａでは、バブルは観測されないため、この状態で、圧電素子へ７５、１００、〜１５０Ｖ及び１０ｋ、１１ｋ、〜１６ｋＨｚを印加し、バブルを噴出させる。バブルの挙動は、ハイスピードカメラで観測した。

（実験結果）
・管内圧力（１０ｋＰａ〜１００ｋＰａ下で発生するバブル挙動の観測
管内気圧２００ｋＰａ 時（圧電素子駆動なし）のバブル発生状態について光学画像を示す。バブルの発生は大きく２つの領域に分けることができる。圧電素子ノズルから斜め上昇方向へ放出される数百μｍサイズの微小バブル（図１４（Ａ））の第１領域と、圧電素子ノズルから水面へ直行するように放出されるバブル径数ｍｍサイズ以下のバブル（図１４（Ｂ））の第２領域とである。図１４の画像は、ハイスピードカメラで撮影した。

第１領域について、管内気圧が１０ｋＰａ 時は、図１４（Ａ）の通り、微小バブルが観測されていなかった。それに対し、 管内気圧を２ｋＰａにすると、微小バブルの存在が複数確認できた。バブル粒径は、画像から測長可能なサイズのバブルを選定して見積もると数百μｍ以下のバブルであった。この数百μｍ以下のバブルは、管内気圧を４０ｋＰａ、８０ｋＰａへ上昇させると個数が上昇した。

図１５は、ガス圧１０ｋＰａから１００ｋＰａの変化に対するバブル個数を示すグラフである。第１領域のバブル放出の様子について、管内気圧１０ｋＰａから１００ｋＰａ に変化させた時の画像からカウント可能なバブルの個数をグラフ化した結果を示す。

管内気圧２０ｋＰａの時、数百μｍ以下の微小バブルが、画像内に約２０個確認できた。２０ｋＰａから８０ｋＰａまで管内気圧を上昇することで、画像内のバブル個数がリニアに増加した。管内気圧１００ｋＰａ時では、リニアリティが崩れ、バブル個数の増加レートが落ちて飽和傾向にあった。

これらの管内気圧１０ｋＰａから１００ｋＰａの条件で、圧電素子ノズルに電圧を印加してハイスピードカメラで画像を確認した。第１領域のバブルの発生状態に奇抜な変化は見られなかった。第２領域のバブルについては、圧電素子からバブルが飛散するような振舞いを示した。

・管内圧力５ｋＰａ下で発生するマイクロ・バブル挙動の観測
管内気圧を５ｋＰａにした場合、圧電素子ノズルからバブルが放出されることはない。これはノズル表面で働く表面張力が管内圧力を上回っているために放出できないと考えられる。この状態で圧電素子ノズルを動作させると気泡の放出が確認できたので、その実験結果を説明する。

図１６は、ガス圧５ｋＰａで微小吐出孔ノズルから放出される微小バブルの挙動を示す画像である。

管内気圧を５ｋＰａに設定し、圧電素子ノズルへ電圧を印加した時のハイスピードカメラ画像によるマイクロ・バブルの振舞いをみた。０ｓｅｃ時に圧電素子へ１５０Ｖ、１３ｋＨｚを印加している。印加後４ｓｅｃ後に圧電素子表面から垂直方向にマイクロ・バブルの粒子群が確認できた。

マイクロ・バブル粒子群は指向性を有し、８ｓｅｃ後、先頭のマイクロ・バブル粒子群が拡散した。それ以降も圧電素子ノズルから常にマイクロ・バブル粒子群が放出され、一定の距離まで進行すると、拡散する振舞いを続けた。このバブルのサイズは２０ｓｅｃ後も水面に浮上することはない。さらにその後数十秒間水槽内を漂い続けていることから、発生しているバブルはナノマイクロ・バブルである。

図１７は、微小吐出孔ノズルから放出される微小バブルの周波数依存性を示す画像である。

管内気圧５ｋＰａで１２５Ｖを異なる周波数で圧電素子ノズルに印加し３０ｓｅｃ 後のハイスピードカメラで撮影した。周波数の違いで、マイクロ・バブル粒子群の放出の様子が大きく異なった。

具体的に、１１ｋＨｚの場合は、マイクロ・バブルの放出量は少ないが、他の画像と比べると指向性が高かった。１３ｋＨｚの場合は、１１ｋＨｚに比較すると、マイクロ・バブルの発生量は高いが、画像のコントラスト比が高い粒子が確認できることから、バブルサイズのユニフォーミティが悪いことが考えられる。１５ｋＨｚの場合、指向性は悪いが、圧電素子ノズルから拡散するようにマイクロ・バブルが放出されていると言える。

図８は、周波数に対する微小バブルの発生量を示すグラフである。

圧電素子の印加電圧１２５Ｖ時の各周波数におけるマイクロ・バブル発生量をハイスピードカメラ画像のコントラスト比から見積もった。結果、１０ｋＨｚ以下、１６ｋＨｚ 以上ではバブルの発生は確認できず、１１ｋＨｚから１５ｋＨｚの周波数範囲内のみマイクロ・バブル粒子群の発生を確認した。

その中でも周波数が１２、１３、１４ｋＨｚ時、多量マイクロ・バブル粒子群発生が表れ、同時に圧電素子ノズル面に対して垂直方向に指向性をもつマイクロ・バブル群が確認された。この結果についての考察は後述する圧電素子の振動モード及び共振周波数と合わせて説明する。

図１９は、微小吐出孔ノズルから放出される微小バブルの速さを示すグラフである。

圧電素子ノズルの入力電圧とマイクロ・バブル粒子群の移動速度について、ハイスピードカメラで撮影した画像から導出した。周波数は１２ｋＨｚを与えている。マイクロ・バブル粒子群の移動速度は、入力電圧値を増加すると、その速度も増した。これは、入力電圧増加に伴い、圧電素子の振幅が大きくなることから、ガス管内から外にバブルを吐出する効力が上がるために移動速度の増加につながったと考えられる。

図２０は、微小吐出孔ノズルの周波数−アドミタンス測定による共振周波数のグラフである。

圧電素子ノズルを水槽下に浸し、１０Ｖで駆動させたときの圧電素子の周波数に対するアドミタンス測定結果による圧電素子の共振周波数導出結果である。管内圧力はマイクロ・バブルが発生した５ｋＰａにした。

図中の縮図にて、アドミタンス値は周波数に対してリニアに増加しているが、１０．０ｋＨｚから１２．５ｋＨｚにかけて、また２２ｋＨｚから２４ｋＨｚにかけて数値に変動があった。１０．０ｋＨｚから１２．５ｋＨｚにかけて測定を拡大すると、１０．５ｋＨｚから１１．０ｋＨｚにかけて鮮明ではないが、アドミタンス値にピークを持った。同様に１１．５ｋＨｚから１２．０ｋＨｚにかけて複数のピークがあった。

一方、 本実験でマイクロ・バブルの発生量が豊富だった１２．０ｋＨｚから１４．０ｋＨｚの周波数帯域では共振は確認されなかった。これは、図２０の実験時は圧電素子を１０Ｖで駆動させているのに対し、マイクロ・バブルを発生させる場合は、圧電素子に数百Ｖを印加しているため素子に発熱が生じ、素子の発熱によって共振周波数にずれが生じたと推測される。

また本実験で使用している圧電素子の共振周波数は大気中で９ｋＨｚ±１ｋＨｚ前後である。しかし、この圧電素子に集束イオン・ビームによる穴あけ加工及び、この圧電素子ノズルをフランジへ接着させていること、また水中に浸しているために受ける水の圧力、及びガス圧などの影響により共振周波数が変動したと考えられる。

なお、２２ｋＨｚから２４ｋＨｚに明確な共振周波数を所持することが確認できた。この周波数で駆動した場合、マイクロ・バブルの発生は確認できなかった。よって、マイクロ・バブルの発生には圧電素子の振動モードが影響すると考えられる。

図２１は、レーザー・ドップラによる微小吐出孔ノズルの駆動モード測定結果を示す説明図である。

図２１に係る実験は、圧電素子に水圧やガス圧などの外的要因は加えていない。図の下側の座標（０、５）近傍部位（数値 = 1.0）では振動が大きく、密な部分（数値 = 0.0）ほど振動が少ない。圧電素子は、約１０ｋＨｚで駆動させている。約１０ｋＨｚは、この圧電素子の仕様の共振周波数である。振動は圧電素子のエッジに近い座標（１１、１０）付近及び（６、１）付近の振動が強いことから、圧電素子は屈曲振動している。この周波数とマイクロ・バブルの発生時の周波数が近いことから、マイクロ・バブル発生時は屈曲振動をしている。

同様に屈曲運動の振幅が増加することで、ノズル表面から放出されるバブルの初速が増加した。この事から印加電圧の増加によってバブルの速度が上がることも説明がつく。

従って、本実験のマイクロ・バブルは圧電素子の屈曲によりピストンのような働きをして、バブルを放出していると考えられる。

以上、レーザー照射及び集束イオン・ビーム加工によって作製した圧電素子ノズルを利用して発生させたバブルの挙動について調査した。その結果、管内気圧が１０ｋＰａから１００ｋＰａの時、二つの発振モードが確認され、それぞれバブルサイズが数百ｍｍか、数ｍｍサイズ以下のバブル測長ができたが、圧電素子ノズルに電圧を印加し駆動させたところ、駆動前後でバブルの挙動に明確な違いは得られなかった。続いて、管内気圧が５ｋＰａの時、圧電素子ノズルの電圧を印加することで、指向性を有したマイクロ・バブルの発生が確認できた。また加える周波数よりマイクロ・バブルの挙動に変化が見られ、印加電圧が増加することでバブルの移動速度も向上した。共振周波数は圧電素子の仕様の共振周波数より数値がずれていたが、レーザー・ドップラによる振動モードの測定結果より、マイクロ・バブルの発生時には屈曲運動し、圧電素子表面がポンプの働きをしてバブルを放出していると考えられる。
［作用効果］
本発明実施例では、板状体である圧電素子９に形成された微小径の吐出孔２３から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させる微小バブル発生装置１であって、加圧ガスの圧力を設定するガス圧設定部としてのガス供給源１１と、吐出孔２３に対し孔軸方向前後へ屈曲振動する圧電素子９と、圧電素子９の振幅及び周波数を制御する振動発生制御部としての周波数発信器１５とを備え、吐出孔２３の微小径の設定と加圧ガスの圧力の設定と圧電素子９の振幅及び周波数の制御とにより微小バブルを形成する。

このため、微小バブルの発生状況、気泡の直径を制御できる。例えば、数十ｎｍ〜数百μｍの粒径を有する微小バブルを、正確に均一な粒径で一定の繰り返し周波数において制御し吐出できる。

微小バブルの噴出量は、振動の振幅や周波数をノズルの形状や気体の圧力とに適合させることにより調節が容易となり、複数のノズルを任意のパターンで有する振動板（板状体、圧電素子）を複数枚設置することにより噴出量の増量が可能となる。

加圧ガスの圧力の設定は、微小径の吐出孔２３から加圧ガスが吐出しない程度の正圧である。

このため、微小バブルの発生状況、気泡の直径を正確に確実に制御できる。

圧電素子９に金属箔２１を接合し、微小径の吐出孔２３は、金属箔２１側がより小径となって吐出先端側を構成するように圧電素子９及び金属箔２１に渡って形成された。

このため、微小径の吐出孔２３を確実に形成することができる。

吐出孔２３の吐出先端側に、イオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物２５を形成してより小径に形成した。

このため、微小径の吐出孔２３を確実に、より小径にすることができる。

圧電素子９に形成された微小径の吐出孔２３から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させるための微小吐出孔ノズル３であって、圧電素子９は、吐出孔２３に対し孔軸方向前後へ屈曲振動する微小吐出孔ノズル３とした。

このため、微小吐出孔ノズル３による微小バブルを確実に発生させることが可能となる。

圧電素子９に金属箔２１を接合し、吐出孔２３を、金属箔２１側がより小径となって吐出先端側を構成するように圧電素子９及び金属箔２１に渡って形成した。

このため、吐出孔２３を確実に微小径にした微小吐出孔ノズル３により微小バブルを確実に発生させることが可能となる。

吐出孔の吐出先端側に、イオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物を形成してより小径にした。

このため、吐出孔２３をより確実に微小径にした微小吐出孔ノズル３により微小バブルを確実に発生させることが可能となる。

板状体に形成された微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させるための微小吐出孔ノズル３の製造方法であって、圧電素子９に金属箔２１を接合し、吐出孔２３を、金属箔２１側がより小径となって吐出先端側を構成するように圧電素子９及び金属箔２１に渡って形成した。

このため、微小径の吐出孔２３を有する微小吐出孔ノズル３を確実に得ることができる。

吐出孔２１の吐出先端側に、イオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物１７を形成してより小径にした。

このため、より微小径の吐出孔２３を有する微小吐出孔ノズル３を確実に得ることができる。

図２２は、ユニモルフ構造の圧電素子に吐出孔を複数形成した状態を示す概略正面図である。

上記圧電素子９は、吐出孔２３を単一としたが、図２２の圧電素子９Ａのように、吐出孔２３Ａを放射状、周回状に複数形成することもできる。

上記実施例では、屈曲振動を例にしたが、長さ振動、拡がり振動、厚み滑り振動、厚み縦振動、表面波振動、BGS波振動などの振動の振幅や周波数を微小吐出孔ノズルの形状や気体の圧力とに適合させて微小バブルの直径を選択的で任意に制御するように構成することもできる。

［微小吐出孔ノズルの変形例］
図２３〜図３９は、微小吐出孔ノズルの変形例に係り、図２３は、圧電素子を重ねて振動発生部とした微小吐出孔ノズルの要部概略断面図、図２４は、ランジュバン振動子を振動発生部とした微小吐出孔ノズルの要部概略断面図、図２５は、圧電素子を重ねて振動発生部とした微小吐出孔ノズルの要部概略断面図、図２６は、電磁コイル及び磁石を振動発生部とした微小吐出孔ノズルの要部概略断面図、図２７は、インパルス放電装置を振動発生部とした微小吐出孔ノズルの要部概略断面図、図２８は、針状ノズルを用いた微小吐出孔ノズルの概略断面図、図２９は、針状ノズルを板状体に取り付けた状態の斜視図、図３０は、圧電素子の斜視図、図３１は、針状ノズルの製造を示す説明図、図３２は、可塑性円管体の引き延ばしの説明図、図３３は、針状ノズルの吐出先端側が堆積物でより小径に形成された状態を示す要部概略断面図、図３４は、針状ノズルを備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの発生状況を示し、発振前の結果を示す画像、図３５は、針状ノズルを備えた微小吐出孔ノズルによる微小バブルの発生状況を示し、発振後の結果を示す画像、図３６（Ａ）は、針状工具と共に示す微小吐出孔ノズルの概略断面図、（Ｂ）は、微小吐出孔ノズルを圧電素子側から見た内面図、図３７（Ａ）〜（Ｃ）は、吐出孔形状のバリエーションを示す説明図、図３８（Ａ）は、針状工具と共に示す微小吐出孔ノズルの概略断面図、（Ｂ）は、微小吐出孔ノズルを圧電素子側から見た内面図、図３９（Ａ）は、微小吐出孔ノズルの概略断面図、（Ｂ）は、微小吐出孔ノズルを圧電素子側から見た内面図である。

図２３〜図２８、図３６、図３８、図３９の微小吐出孔ノズル３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ、３Ｐ、３Ｑ、３Ｒ、３Ｓは、図１、図２で示す微小吐出孔ノズル３に代えて適用される。

図２３の微小吐出孔ノズル３Ｂは、セラミックや水晶の板状の圧電素子９Ｂを積層して振動発生部とし、この圧電素子９を金属板１９Ｂの両側に接合し、吐出孔２３Ｂを構成した。両側の圧電素子９Ｂ及び金属板１９Ｂが板状体を構成する。

したがって、圧電素子９Ｂにより、板状体を吐出孔２３Ｂに対し孔軸方向へ振動させることができる。

図２４の微小吐出孔ノズル３Ｃは、ランジュバン振動子を振動発生部とした。積層した圧電素子９Ｃをホーン形状の本体３Ｃａに接合し、本体３Ｃａの先端に、金属板１９Ｃ（プレート）を取り付けて吐出孔２３Ｃを形成した。金属板１９Ｃが板状体を構成する。

したがって、圧電素子９Ｃによって金属板１９Ｃを孔軸方向へ振動させることができる。

図２５の微小吐出孔ノズル３Ｄは、積層アクチュエータを振動発生部とした。積層した周回形状の圧電素子９Ｄを振動発生部として本体３Ｄａに接合し、圧電素子９Ｄの先端に、金属板１９Ｄを備え、この金属板１９Ｄ（プレート）に吐出孔２３Ｄを形成した。金属板１９Ｄが板状体を構成する。

したがって、圧電素子９Ｄによって金属板１９Ｄを孔軸方向へ振動させることができる。

図２６の微小吐出孔ノズル３Ｅは、電磁コイル振動子を振動発生部９Ｅとした。電磁コイル９Ｅａを本体３Ｅａに備え、本体３Ｅａの先端に、金属板１９Ｅを備えている。この金属板１９Ｅの内面に、内プレート１９Ｅａを備え、外面に板状の磁石９Ｅｂが接合されている。

吐出孔２３Ｅは、金属板１９Ｅ及び内プレート１９Ｅａに渡る内側吐出孔２３Ｅａと磁石９Ｅｂの外側吐出孔２３Ｅｂとからなっている。金属板１９Ｅ及び内プレート１９Ｅａ、磁石９Ｅｂの組み合わせが板状体を構成する。

したがって、電磁コイル９Ｅａの通電制御により磁石９Ｅｂを振動させ、金属板１９Ｅを共に孔軸方向へ振動させることができる。

図２７の微小吐出孔ノズル３Ｆは、インパルス放電部９Ｆを振動発生部とした。インパルス放電部９Ｆを本体３Ｆａに備え、本体３Ｆａの先端に、金属板１９Ｆを備えている。吐出孔２３Ｆは、金属板１９Ｆ（プレート）に形成され、金属板１９Ｆが板状体を構成する。

したがって、インパルス放電部９Ｆの放電制御により金属板１９Ｆを孔軸方向へ振動させることができる。また、インパルス放電により、微小バブル中へのイオン活性種の導入ができる。

図２８の微小吐出孔ノズル３Ｐは、吐出孔２３Ｐが、針状ノル３Ｐａに備えられたものである。針状ノズル３Ｐａは石英、ガラス、或いは金属により形成され、板状体である円板形状のセラミック板１９Ｐに取り付けられ、セラミック板１９Ｐは、圧電素子９Ｐに取り付けられている。

図２９のように、針状ノズル３Ｐａは、セラミック板１９Ｐの中心部の孔１９Ｐａに嵌合し、針状部３Ｐａａがセラミック板１９Ｐから突出している。針状ノズル３Ｐａは、セラミック板１９Ｐに対して接着剤により固定されている。

図３０のように、圧電素子９Ｐは、例えば円筒形であり、外径１３．６ｍｍ、内径１０．０ｍｍ、長さ１０．０ｍｍのものを用いた。

図３１のように、針状ノズル３Ｐａは、例えば石英管３ＰａＡを引き延ばし針状部３Ｐａａを形成し、針状部３Ｐａａの先端をカットした。先端のカットは、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ「Focused ion beam」）を用いた。

図３２のように、石英管３ＰａＡの引き延ばしは、例えば、下端に重りＷを取り付け、先端部をバーナーＢにより加熱することで行う。加熱により軟化した石英管３ＰａＡが重りＷの自重により引き延ばされ、図３１の針状部３Ｐａａが形成される。

図３３のように、カットした針状部３Ｐａａの先端の吐出孔２３Ｐに、集束イオン・ビームとカーボン・ガス（フェナントレン・ガス）とを反応させた堆積物２５Ｐを形成してより小径にすることもできる。

微小吐出孔ノズル３Ｐを用いた微小バブル発生装置により、図３４、図３５のように、微小バブルを発生させることができ、周波数制御等により微小バブルの発生に変化を与えることができた。圧電素子９Ｐの発振前でも図３４のように微小吐出孔ノズル３Ｐからナノ・バブルが発生し、圧電素子９Ｐの発振後には図３５のように微小吐出孔ノズル３Ｐからのナノ・バブルが安定して発生した。

図３６の微小吐出孔ノズル３Ｑは、例えば金属製の板状体１９Ｑに、例えば超鋼製の針状工具Ｔ１を差し込んで円形の吐出孔２３Ｑを貫通形成した。吐出孔２３Ｑには、板状体１９Ｑの表面にバリ２３Ｑａａが形成され、吐出孔２３Ｑの径を小さくしている。

図３７のように、吐出孔２３Ｑは、針状工具Ｔ１の形状選択により、円形以外にも、（Ａ）〜（Ｃ）等のように任意形状に形成できる。

図３８の微小吐出孔ノズル３Ｒは、例えば金属製の板状体１９Ｒに、例えば超鋼製の針状ねじ工具Ｔ２を差し込んで螺旋状の吐出孔２３Ｒを貫通形成した。吐出孔２３Ｒには、板状体１９Ｒの表面にバリ２３Ｒａａが形成され、吐出孔２３Ｒの径を小さくしている。

図３９の微小吐出孔ノズル３Ｓは、板状体１９Ｓに貫通孔２３Ｓａが形成され、板状体１９Ｓの前面を覆う多孔質体２３Ｓｂを備えた。図３９（Ｂ）では、多孔質体２３Ｓｂに孔が形成されているように見えるが、多孔質体２３Ｓｂに孔は形成されておらず、板状体１９Ｓに貫通孔２３Ｓａを便宜的に対応して示したものでる。 この例では、貫通孔２３Ｓａ及び多孔質体２３Ｓｂが協働して吐出孔２３Ｓが構成され、貫通孔２３ａから吐出されるバブルが多孔質体２３Ｓｂを通ることで小さなナノ・バブルとすることができる。

図４０〜図４２は、本発明の実施例２に係り、図４０は、吐出孔の振動に対して交差する方向へ振動させる補助振動発生部を備えた構造を示し、（Ａ）は、要部概略断面図、（Ｂ）は、ユニモルフ構造の圧電素子に吐出孔を複数形成した状態を示す概略正面図、図４１（Ａ）は、要部概略断面図、（Ｂ）は、圧電素子に吐出孔を形成した状態を示す概略正面図、図４２（Ａ）は、Ａ）は、要部概略断面図、（Ｂ）は、要部概略正面図である。

図４０の微小吐出孔ノズル３Ｇは、吐出孔２３Ｇを圧電素子９Ｇの制御による振動に対して交差する傾斜方向へ振動させる補助振動発生部としての積層アクチュエータ３３を備えた。吐出孔２３Ｇを形成した圧電素子９Ｇは、本体３Ｇａに傾斜して複数取り付け、本体３Ｇａに積層アクチュエータ３３を取り付けた。圧電素子９Ｇは、ユニモルフ構造であり、複数の吐出孔２３Ｇを備えている。

したがって、圧電素子９Ｇによる吐出孔２３Ｇの孔軸方向への振動に対し、圧電素子９Ｇの吐出孔２３Ｇを孔軸傾斜方向へさらに振動させることができ、吐出孔２３Ｇに対する発生泡のキレを促進することができる。

図４１の微小吐出孔ノズル３Ｈは、図４０の微小吐出孔ノズル３Ｇに対して単一の圧電素子９Ｈに単一の吐出孔２３Ｈを設けたものである。圧電素子９Ｈは、例えば、バイモルフ構造である。

したがって、圧電素子９Ｈによる吐出孔２３Ｈの孔軸方向への振動に対し、圧電素子９Ｈの吐出孔２３Ｈを孔軸傾斜方向へさらに振動させることができ、吐出孔２３Ｈに対する発生泡のキレを促進することができる。

図４２の微小吐出孔ノズル３Ｉは、吐出孔２３Ｉを圧電素子９Ｉの制御による振動に対して交差する方向へ振動させる補助振動発生部３３を備えた。圧電素子９Ｉは、板状体である振動発生部を構成し、吐出孔２３Ｉは複数形成されている。圧電素子９Ｉの制御による振動は、吐出孔２３Ｉの孔軸方向の振動であり、補助振動発生部３３による交差する方向へ振動は、孔軸に対し直交する矢印方向の振動である。補助振動発生部３３としては、圧電素子を用いたものなど、種々のものを適用することができる。

したがって、圧電素子９Ｉの制御による微小バブルの発生に対し、補助振動発生部３３の振動により、吐出孔２３Ｉに対する発生泡のキレを促進することができる。

圧電素子９Ｇ、９Ｈ、９Ｉは、上記種々のものを適用でき、圧電素子９Ｇ、９Ｈ、９Ｉに代えて吐出孔を備えた金属板とし、この金属板を振動発生部により振動させる構成にすることもできる。

図４３、図４４は、本発明の実施例３に係り、図４３、図４４は、吐出孔を中央とした凹状の曲面で形成された振動発生部を示す概略断面図である。

図４３の振動発生部である板状体としての圧電素子９Ｊは、断面が凹状の曲面として半円形に形成され、吐出孔２３Ｊが半円形の中央に形成されている。圧電素子９Ｊの凹状の曲面は、吐出孔２３Ｊの孔軸延長線上に指向し、曲率中心が孔軸延長線上に位置する。

したがって、圧電素子９Ｊが振動すると、上記同様に微小バブルを発生させると共に、曲率中心に向かう振動波を形成し、発生した微小バブルを吐出孔２３Ｊの孔軸上に集め易くすると共に、孔軸方向に推進力を付与することができる。

図４４の振動発生部としての圧電素子９Ｋは、断面が凹状の曲面として半楕円形に形成され、吐出孔２３Ｋが半楕円形の中央に形成されている。圧電素子９Ｋの凹状の曲面は、吐出孔２３Ｋの孔軸延長線上に指向している。

したがって、圧電素子９Ｋが振動すると、上記同様に微小バブルを発生させると共に、孔軸上へ向かう振動波を形成し、発生した微小バブルを半楕円形に応じて吐出孔２３Ｋの孔軸上に集め易くすると共に、孔軸方向に推進力を付与することができる。

圧電素子９Ｊ、９Ｋとしては、上記種々のものを適用でき、圧電素子９Ｊ、９Ｋに代えて吐出孔を備えた金属板とし、この金属板を振動発生部により振動させる構成にすることもできる。吐出孔も、複数形成することができる。

図４５〜図４７は、本発明の実施例４に係り、吐出孔から吐出される微小バブルに外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部を設けた構造を示す概略構成図である。

図４５の構造では、圧電素子９Ｌの吐出孔２３Ｌから吐出される微小バブルに吐出口２３Ｌの吐出方向前方で外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部３５を設けた。外力付与部３５は、超音波３７をレンズ３９及びホーン４１で集束させ、強力超音波として微小バブルに照射し、バブル直径の微細化を行う。

図４６の構造も、圧電素子９Ｍの吐出孔２３Ｍから吐出される微小バブルに吐出口２３Ｍの吐出方向前方で外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部３５Ｍを設けた。外力付与部３５Ｍは、電界発生部４３による電界の印加でバブル直径の微細化を行う。

図４７の構造も、圧電素子９Ｎの吐出孔２３Ｎから吐出される微小バブルに吐出口２３Ｎの吐出方向前方で外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部３５Ｎを設けた。外力付与部３５Ｎは、局部放電部４５による局部放電でバブル直径の微細化を行う。

その他、外力付与部は微小バブルを微細化できれば良く、微小バブルの噴出経路に設置された微小な水車による切断、集音板で集束させた強力超音波の照射による微細化など、種々の構造を適用することができる。

そして、均一な粒径で一定の繰り返し周波数で噴出された微小バブルを外部からの水流の吹き付け・電界の印加・液中気泡の局部放電・バブルの噴出経路に設置された微小な水車による切断や外部から水中でホーンやレンズ・集音板で集束させた強力超音波の照射により、バブル直径の更なる微細化を選択的に制御して形成することができる。また、液中気泡の局部放電により、微小バブル中へのイオン活性種の導入ができる。

１ 微小バブル発生装置
３、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆ、３Ｇ、３Ｈ、３Ｉ、３Ｐ、３Ｑ、３Ｒ、３Ｓ 微小吐出孔ノズル
３Ｐａ 針状ノズル
９、９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄ、９Ｇ、９Ｈ、９Ｉ、９Ｊ、９Ｋ、９Ｌ、９Ｍ、９Ｎ、９Ｐ、９Ｑ、９Ｒ、９Ｓ 圧電素子（板状体、振動発生部）
９Ｅ 振動発生部（板状体）
９Ｅａ 電磁コイル
９Ｅｂ 磁石
９Ｆ インパルス放電部（振動発生部）
１１ ガス供給源（ガス圧設定部）
１５ 電圧発生部（振動発生制御部）
１７Ｅａ 電磁コイル（振動発生部）
１７Ｅｂ 磁石（板状体、振動発生部）
１９、１９Ｃ、１９Ｅ、１９Ｆ、１９Ｐ、１９Ｑ、１９Ｒ、１９Ｓ 金属板（板状体）
１９Ｅａ内プレート（板状体）
２１ 金属箔
２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ、２３Ｄ、２３Ｅ、２３Ｆ、２３Ｇ、２３Ｈ、２３Ｉ、２３Ｊ、２３Ｋ、２３Ｌ、２３Ｍ、２３Ｎ、２３Ｐ、２３Ｑ、２３Ｒ、２３Ｓ 吐出孔
２３Ｓａ 貫通孔
２３Ｓｂ 多孔質体
２５ 堆積物
３３ 補助振動発生部
３５、３５Ｍ 外力付与部
Ｔ１ 針状工具
Ｔ２ 針状ねじ工具

Claims (15)

1. 板状体に備えられた微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させる微小バブル発生装置であって、
   前記加圧ガスの圧力を設定するガス圧設定部と、
   前記板状体を前記吐出孔の孔軸方向へ振動させる振動発生部と、
   前記振動発生部の振幅及び周波数を制御する振動発生制御部とを備え、
   前記板状体は、前記吐出孔を中央とした凹状の曲面で形成され、
   前記曲面が前記吐出孔の孔軸延長線上に指向し、
   前記吐出孔の微小径の設定と前記加圧ガスの圧力の設定と前記振動発生部の振幅及び周波数の制御とにより前記微小バブルを形成する、
   ことを特徴とする微小バブル発生装置。
2. 請求項１記載の微小バブル発生装置であって、
   前記板状体は、前記振動発生部であり、
   前記振動発生部は、前記板状体の屈曲振動である、
   ことを特徴とする微小バブル発生装置。
3. 請求項１又は２記載の微小バブル発生装置であって、
   前記加圧ガスの圧力の設定は、前記微小径の吐出孔から前記加圧ガスが吐出しない程度の正圧である、
   ことを特徴とする微小バブル発生装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項記載の微小バブル発生装置であって、
   前記板状体に金属箔を接合し、
   前記微小径の吐出孔は、前記金属箔側がより小径となって吐出先端側を構成するように前記板状体及び金属箔に渡って形成された、
   ことを特徴とする微小バブル発生装置。
5. 請求項１〜４の何れか1項記載の微小バブル発生装置であって、
   前記吐出孔の吐出先端側に、イオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物を形成してより小径に形成した、
   ことを特徴とする微小バブル発生装置。
6. 請求項１〜５の何れか1項記載の微小バブル発生装置であって、
   前記振動発生部は、前記板状体を構成するセラミックス又は水晶の板状の圧電素子、ユニモルフ構造又はバイモルフ構造の圧電素子である、
   ことを特徴とする微小バブル発生装置。
7. 請求項１〜５の何れか１項記載の微小バブル発生装置であって、
   前記振動発生部は、板状の磁石を備えた電磁コイル振動子であり、
   前記微小径の吐出孔は、前記板状体を構成する前記電磁コイル振動子の板状の磁石に形成された、
   ことを特徴とする微小バブル発生装置。
8. 請求項１〜５の何れか１項記載の微小バブル発生装置であって、
   前記振動発生部は、積層アクチュエータ、ランジュバン振動子、磁歪振動子、インパルス放電部の何れかで構成され、
   前記微小径の吐出孔は、前記板状体を構成するプレートに形成された、
   ことを特徴とする微小バブル発生装置。
9. 請求項１〜８の何れか１項記載の微小バブル発生装置であって、
   前記吐出孔を前記振動発生部による振動に対して交差する方向へ振動させる補助振動発生部を備えた、
   ことを特徴とする微小バブル発生装置。
10. 請求項１〜９の何れか１項記載の微小バブル発生装置であって、
    前記吐出孔は、複数備えられた、
    ことを特徴とする微小バブル発生装置。
11. 請求項１〜１０の何れか1項記載の微小バブル発生装置であって、
    前記吐出孔から吐出される微小バブルに前記吐出口の吐出方向前方で外力を加えてより小さく粉砕する外力付与部を設けた、
    ことを特徴とする微小バブル発生装置。
12. 板状体に備えられた微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させる微小バブル発生装置であって、
    前記加圧ガスの圧力を設定するガス圧設定部と、
    前記板状体を前記吐出孔の孔軸方向へ振動させる振動発生部と、
    前記振動発生部の振幅及び周波数を制御する振動発生制御部とを備え、
    前記吐出孔の微小径の設定と前記加圧ガスの圧力の設定と前記振動発生部の振幅及び周波数の制御とにより前記微小バブルを形成し、
    前記振動発生部は、前記板状体を構成するセラミックス又は水晶の板状の圧電素子、ユニモルフ構造又はバイモルフ構造の圧電素子であり、
    前記吐出孔を前記振動発生部による振動に対して前記孔軸方向に交差する孔軸傾斜方向へ振動させる補助振動発生部を備えた、
    ことを特徴とする微小バブル発生装置。
13. 板状体に備えられた微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させる微小バブル発生装置であって、
    前記加圧ガスの圧力を設定するガス圧設定部と、
    前記板状体を前記吐出孔の孔軸方向へ振動させる振動発生部と、
    前記振動発生部の振幅及び周波数を制御する振動発生制御部とを備え、
    前記吐出孔の微小径の設定と前記加圧ガスの圧力の設定と前記振動発生部の振幅及び周波数の制御とにより前記微小バブルを形成し、
    前記板状体に、針状ノズルを突出形成し、
    前記針状ノズルは、前記吐出孔を貫通して備えた、
    ことを特徴とする微小バブル発生装置。
14. 板状体に備えられた微小径の吐出孔から加圧ガスを液体中に送り出して微小バブルを発生させるための微小吐出孔ノズルの製造方法であって、
    前記板状体を前記吐出孔の孔軸方向へ振動させる振動発生部を備え、
    前記吐出孔は、前記板状体に突出形成された針状ノズルに備えられ、
    熱可塑性の円筒管の先端部を加熱しつつ引き延ばして針状部を形成し、
    前記針状部の先端をカットして針状ノズルを形成し、
    前記針状ノズルを前記板状体に取り付けた、
    ことを特徴とする微小吐出孔ノズルの製造方法。
15. 請求項１４記載の微小吐出孔ノズルの製造方法であって、
    前記吐出孔の吐出先端側に、イオン・ビームとカーボン・ガスとを反応させた堆積物を形成してより小径にした、
    ことを特徴とする微小吐出孔ノズルの製造方法。