JP7180749B2 - 気泡発生装置 - Google Patents

Description

本開示は、気泡発生装置に関する。

近年、微細な気泡を使って水質浄化、排水処理、魚の養殖などが行なわれており、微細な気泡が様々な分野で利用されている。そのため、微細な気泡を発生する気泡発生装置が開発されている（特許文献１）。

特許文献１に記載の気泡発生装置では、圧電素子を利用して微細な気泡を発生させている。この気泡発生装置では、屈曲振動する振動板の中央部での上下振動を利用して、振動板に形成した細孔で発生した気泡を振動で引きちぎり微細化している。そのため、この気泡発生装置は、振動板に形成した細孔を流れる空気の方向と、振動板の振動方向とが平行であった。

特許第６１０８５２６号公報

細孔に流れる空気は、振動板と液体との界面で気泡となり液体中を上昇することになる。細孔を流れる空気の方向と、振動板の振動方向とが平行である場合、振動板の表面に発生した気泡が、細孔から押し出される直噴流の流れに乗って一気に上昇し、水槽の水面で大気中に放散されることになる。そのため、特許文献１に記載の気泡発生装置では、発生させた気泡を液体中に長く浮遊させることができず、液体中に残留する微細な気泡の量が少なくなる問題があった。

そこで、本開示の目的は、液体中に残留する微細な気泡の量を増加させることができる気泡発生装置を提供することである。

本開示の一形態に係る気泡発生装置は、振動により微細な気泡を液体中に発生させる気泡発生装置であって、複数の開口部が形成され、一方の面が液体槽の液体と接し、他方の面が気体と接する振動板と、振動板を振動させる圧電素子と、振動板を保持し、圧電素子の振動を振動板に伝える振動体と、を備え、振動体は、振動板の他方の面に気体を導入するための導入孔を有し、振動板を保持する面に対して垂直の面に圧電素子が設けられ、振動板を振動させる振動方向には、複数の開口部を流れる気体の方向と異なる方向を少なくとも含む。

本開示によれば、振動板を振動させる振動方向には、複数の開口部を流れる気体の方向と異なる方向を少なくとも含むため、液体中に残留する微細な気泡の量を増加させることができる。

本実施の形態１に係る気泡発生装置が用いられる水質浄化装置の概略図である。 本実施の形態１に係る気泡発生装置の振動体の概略図である。 本実施の形態１に係る気泡発生装置の振動体の部分断面図である。 本実施の形態１に係る気泡発生装置の振動体の振動状態を示す図である。 本実施の形態１に係る振動板の平面図である。 本実施の形態１に係る振動板に形成した開口部の断面図である。 本実施の形態２に係る気泡発生装置が用いられる水質浄化装置の概略図である。 本実施の形態２に係る気泡発生装置の振動体の斜視図である。 本実施の形態２に係る気泡発生装置の振動体の振動状態を示す図である。 本実施の形態３に係る気泡発生装置が用いられる水質浄化装置の概略図である。 本実施の形態３に係る気泡発生装置の振動体の概略図である。 本実施の形態３に係る気泡発生装置の振動体の振動状態を示す図である。 本実施の形態４に係る気泡発生装置が用いられる水質浄化装置の概略図である。 本実施の形態４に係る気泡発生装置の振動体等の分解斜視図である。 本実施の形態４に係る気泡発生装置の振動板の振動状態を示す図である。

（実施の形態１）
以下に、本実施の形態１に係る気泡発生装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

まず、図１は、本実施の形態１に係る気泡発生装置１が用いられる水質浄化装置１００の概略図である。図１に示す気泡発生装置１は、例えば水槽（液体槽）１０の底部に設けられ、水槽１０の水に微細な気泡を発生させる水質浄化装置１００に用いられる。なお、気泡発生装置１の用途は、水質浄化装置１００に限定されず、排水処理装置、魚の養殖用水槽などの様々な用途に適用することができる。

気泡発生装置１は、振動板２と、振動体３と、圧電素子４と、保持部５と、支持部６とを備えている。気泡発生装置１は、水槽１０の底部の一部に開けた孔に保持部５に保持された振動体３を設けている。振動体３と保持部５との境界部分は封止してあり、保持部５の内部空間と水槽１０の水とを完全分離してある。保持部５の内部空間には、振動体３の側面に圧電素子４が設けられているので、圧電素子４の電気配線等が液体に浸かることを防止できる。

振動体３には、空気を通すための導入孔３ｄが設けられてあり、導入孔３ｄの一端が保持部５の内部空間側に設けられている。保持部５は、支持部６上に設けられている。支持部６には、導入孔６ａが設けてあり、導入孔６ａから保持部５の内部空間に空気が送り込まれる。導入孔６ａから保持部５の内部空間に送り込まれた空気は、振動体３の導入孔３ｄを通って第１の端部３ａおよび第２の端部３ｂに設けた振動板２に至る。

気泡発生装置１では、振動体３の側面に設けた圧電素子４で振動板２および振動体３を振動させることで、導入孔３ｄを通って送り込まれた空気を振動板２に形成した複数の細孔（開口部）から微細な気泡として発生させている。気泡発生装置１では、図１に示す方向に背圧（例えば、０．０８ａｔｍ～０．１２ａｔｍ（８～１２ｋＰａ）程度）を加えることで、導入孔３ｄを介して振動板２に形成した複数の細孔に空気を供給している。

振動板２は、ガラス板で形成されている。振動板２をガラス板で形成する場合、例えば、波長が２００ｎｍ～３８０ｎｍの紫外光および深紫外光を透過させるガラス板で形成してもよい。紫外光および深紫外光を透過させるガラス板で形成することで、振動板２の他方の面側から水槽１０の水に対して紫外光を発する光源を設け、オゾン生成による殺菌と紫外光照射による殺菌とを兼用させることができる。なお、ガラス板には、石英ガラスや、組成がコントロールされ深紫外線の透過度を向上させた疑似石英合成ガラスなどが用いられる。なお、振動板２は、金属板で形成してもよく、ガラス以外に他の材質（例えば、金属、樹脂など）で形成してもよい。

振動板２は、複数の細孔が形成され、一方の面が水槽１０の水（液体）と接し、他方の面が振動体３の第１の端部３ａまたは第２の端部３ｂと接している。気泡発生装置１では、振動体３に設けた導入孔３ｄを通った空気を第１の端部３ａおよび第２の端部３ｂから振動板２の細孔を通って水槽１０の水に送り込むことで微細な気泡を発生させている。

気泡発生装置１では、圧電素子４で振動板２および振動体３を振動させている。図２は、本実施の形態１に係る気泡発生装置１の振動体３の概略図である。図２（ａ）は、振動体３の斜視図、図２（ｂ）は、振動体３の側面図、図２（ｃ）は、振動体３の平面図である。図３は、本実施の形態１に係る気泡発生装置１の振動体３の部分断面図である。

振動体３は、第１の端部３ａと、第１の端部３ａとは反対側の第２の端部３ｂとを有する。振動体３は、円板形状の第１の端部３ａと第２の端部３ｂと柱形状の部分３ｃで連結した形状である。第２の端部３ｂは、柱形状の部分３ｃの長辺方向において、第１の端部３ａと反対側に位置している。

第１の端部３ａおよび第２の端部３ｂが、振動板２にそれぞれ連結されている。すなわち、振動板２の細孔が、第１の端部３ａ側の導入孔３ｄおよび第２の端部３ｂ側の導入孔３ｄと連結されている。第２の端部３ｂが、導入孔３ｄは、振動体３の柱形状の部分３ｃにも設けられている。

振動体３は本実施の形態では、アルミ合金からなる。もっとも、アルミ合金に代えて、ステンレスなど他の金属材料が用いられてもよい。好ましくは、アルミ合金やステンレスなどの剛性の高い金属が望ましい。

振動体３は、円柱の第１の端部３ａおよび第２の端部３ｂを残し、中央部分を柱形状に削った形状である。そのため、振動体３は、第１の端部３ａ、第２の端部３ｂおよび柱形状の部分３ｃが同じ材料により一体に構成されている。なお、振動体３は、柱形状の部分３ｃに、別部材としての第１の端部３ａおよび第２の端部３ｂが接合され、柱形状の部分３ｃと、第１の端部３ａおよび第２の端部３ｂとが別部材で構成されていてもよい。

振動体３の柱形状の部分３ｃには、圧電素子４が固定されている。圧電素子４は、圧電体と、圧電体の両面に設けられた電極とを有する。圧電体は、厚み方向に、すなわち振動体３の第１の端部３ａおよび第２の端部３ｂの平面と平行方向に分極されている。圧電体は、圧電セラミックスなどの圧電体からなる。

圧電素子４が振動体３の柱形状の部分３ｃに接合されている構造で圧電素子４を屈曲振動モードで駆動することにより、振動板２および振動体３を屈曲振動する振動体を構成している。なお、圧電素子４は、例えば、幅が８ｍｍ、長さが１６ｍｍ、厚みが１ｍｍである。また、圧電素子４は、例えば、電圧が５０Ｖｐｐ～７０Ｖｐｐ、デューティ比５０％の矩形波形の動作条件で駆動される。

気泡発生装置１では、この圧電素子４における屈曲振動モードでの駆動が、振動板２および振動体３を振動させて微細な気泡を発生させている。圧電素子４の電極には、図示していないコントローラの信号が供給され、当該信号に基づいて圧電素子４が駆動される。

なお、圧電素子４は、柱形状の部分３ｃの一面に一つ設けると説明したが、これに限定されない。圧電素子４は、例えば、柱形状の部分３ｃの一面に複数設けた構成でもよい。

次に、気泡発生装置１での振動板２および振動体３の振動について詳しく説明する。図４は、本実施の形態１に係る気泡発生装置の振動体の振動状態を示す図である。図４には、気泡発生装置１の振動体３の振動についてシミュレーションした結果の変位が示されている。

図４に示す振動体３では、柱形状の部分３ｃに圧電素子４が設けられている。この圧電素子４の電極間に交流電界を印加することで、圧電素子４を屈曲振動モードで駆動して振動体３を屈曲振動させる。この屈曲振動の変位により、振動体３の第１の端部３ａおよび第２の端部３ｂに設けた振動板２が図中左右方向（振動方向）に変位する。一方、振動板２に形成した複数の細孔を流れる気体の方向は図中上下方向であり、圧電素子４の駆動で振動する振動板２の振動方向と異なっている。

気泡発生装置１では、図４に示すように振動板２を振動させる振動方向が、複数の細孔を流れる気体の方向に対して垂直方向となる振動成分を含んでいる。そのため、気泡発生装置１では、振動板２の表面に発生した気泡が、細孔から押し出される直噴流の流れに対して影響を受け難く、気泡が一気に上昇して水槽１０の水面で大気中に放散されることを防止できる。また、気泡発生装置１では、発生させた気泡を水槽１０の水中に長く浮遊させることができ、水中に残留する微細な気泡の量を多くすることができる。

特に、振動板２を振動させる振動方向が、複数の細孔を流れる気体の方向に対して垂直方向であれば、細孔から押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響をより受け難くすることができる。なお、気泡発生装置１は、図４に示すように振動板２を振動させる振動方向が、複数の細孔を流れる気体の方向に対して垂直方向である場合に限られず、振動板２の振動方向と、複数の細孔を流れる気体の方向とを異ならせて垂直方向となる振動成分を少なくとも含むのであれば、細孔から押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響を受け難くできればよい。

振動板２には、複数の細孔が形成されている。図５は、本実施の形態に係る振動板の平面図である。図５に示す振動板２は、直径１４ｍｍのガラス板２ａの中央部に設けた５ｍｍ×５ｍｍの領域に複数の細孔２ｂが形成されている。振動板２は、例えば、細孔２ｂの孔径を１０μｍ、細孔２ｂの間隔を０．２５ｍｍにした場合、５ｍｍ×５ｍｍの領域に４４１個の細孔２ｂを形成することができる。なお、図５では、ガラス板２ａに複数の細孔２ｂが形成されていることをイメージし易くするため、細孔２ｂの孔径および細孔２ｂの間隔が実際のスケールとは異なっている。

振動板２に設けられる細孔２ｂは、液体と接する側の面での孔径が１μｍ～２０μｍである。当該細孔２ｂから導入された空気により、水槽１０の水に約１０倍の径の微細な気泡が発生する。細孔２ｂは、孔径の１０倍以上の間隔で複数形成されているので、１つの細孔２ｂから発生した微細な気泡が隣の細孔２ｂから発生した微細な気泡とつながることを防止して独立した微細な気泡を発生させる性能を向上させている。

ガラス板２ａに複数の細孔２ｂを形成するための方法として、例えば、レーザと液相エッティングとを組み合わせた方法がある。具体的に、この方法では、ガラス板２ａにレーザを照射することにより、レーザエネルギーでガラス板２ａに組成変性を起こさせ、その部分を液体フッ化物系のエッティング材などで侵食させて複数の細孔２ｂを形成している。

図６は、本実施の形態に係る振動板に形成した細孔（開口部）２ｂの断面図である。図６に示すように、ガラス板２ａに形成される細孔２ｂの形状は、図中下側の面の孔径に比べ、上側の面の孔径が大きいテーパ形状である。孔径の小さい面を水槽１０の水と接する面に、孔径の大きい面を気体と接する面にして振動板２を配置することで、細孔２ｂで発生する微細な気泡の径をより小さくすることができる。もちろん、孔径の大きい面を水槽１０の水と接する面に、孔径の小さい面を気体と接する面にして振動板２を配置してもよい。

振動板２にガラス板２ａを使用した場合、金属板を利用する場合と比較して、液体への金属イオンの溶出による液体汚染を防ぐことができるメリットがある。また、金属板に細孔を形成した場合、金属の腐食防止のためにメッキを行う必要がある。液体への金属イオンの溶出を防止するには、貴金属を用いる必要がある。そのため、細孔を形成した金属板を貴金属でメッキを行うと、振動板のコストが高価になる。

以上のように、本実施の形態１に係る気泡発生装置１は、振動により微細な気泡を液体中に発生させる気泡発生装置である。気泡発生装置１は、複数の細孔２ｂ（開口部）が形成され、一方の面が水槽１０の水（液体）と接し、他方の面が気体と接する振動板２と、振動板２を振動させる圧電素子４とを備えている。振動板２を振動させる振動方向には、複数の細孔２ｂを流れる気体の方向と異なる方向を少なくとも含む。

これにより、気泡発生装置１は、振動板を振動させる振動方向には、複数の細孔２ｂを流れる気体の方向と異なる方向を少なくとも含むため、細孔２ｂから押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響を受け難く、液体中に残留する微細な気泡の量を増加させることができる。

圧電素子４を屈曲振動モードで駆動し、圧電素子４の駆動で振動する振動板２の振動方向には、複数の細孔２ｂを流れる気体の方向と異なる方向を少なくとも含む。これにより、気泡発生装置１は、屈曲振動モードで圧電素子４を駆動し、液体中に残留する微細な気泡の量を増加させることができる。

振動板２を振動させる振動方向には、複数の細孔２ｂを流れる気体の方向に対して垂直方向の振動成分を少なくとも含むものであればよい。これにより、細孔から押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響をより受け難くすることができ、液体中に残留する微細な気泡の量をより増加させることができる。

また、振動板２は、ガラス板で形成されてもよい。これにより、気泡発生装置１は、水槽１０の水（液体）への金属イオンの溶出による液体汚染を防ぐことができる。

また、振動板２は、液体と接する側の面での孔径が１μｍ～２０μｍの細孔２ｂを、孔径の１０倍以上の間隔で複数形成してもよい。これにより、気泡発生装置１は、１つの細孔２ｂから発生した微細な気泡２００が隣の細孔２ｂから発生した微細な気泡２００とつながることを防止でき、独立した微細な気泡２００を発生させることができる。

さらに、細孔２ｂの形状は、水槽１０の水（液体）と接する一方の面の孔径に比べ、気体と接する他方の面の孔径が大きいテーパ形状であってもよい。これにより、気泡発生装置１は、細孔２ｂで発生する微細な気泡２００の径をより小さくすることができる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、振動板２を振動させる振動方向に、複数の細孔２ｂを流れる気体の方向と異なる方向が少なくとも含まれるように、水槽１０の水中に設けた保持部５で振動体３を保持する構成について説明した。本実施の形態２では、保持部を設けることなく、振動板を振動させる振動方向に、複数の細孔を流れる気体の方向と異なる方向を少なくとも含ませる構成について説明する。

図７は、本実施の形態２に係る気泡発生装置１ａが用いられる水質浄化装置１１０の概略図である。なお、本実施の形態２に係る水質浄化装置１１０は、図１に示す実施の形態１に係る水質浄化装置１００の構成と同じで構成について同じ符号を付して詳細な説明を繰返さない。

図７に示す気泡発生装置１ａは、例えば水槽（液体槽）１０の底部に設けられ、水槽１０の水に微細な気泡を発生させる水質浄化装置１１０に用いられる。なお、気泡発生装置１ａの用途は、水質浄化装置１１０に限定されず、排水処理装置、魚の養殖用水槽などの様々な用途に適用することができる。

気泡発生装置１ａは、振動板２と、振動体３０と、圧電素子４とを備えている。振動体３０は、Ｈ字（音叉）の形状をしており、水槽１０の底部の一部に開けた孔に保持され、振動体３０の一部が水槽１０の水側（液体側）に配置されている。振動体３０と水槽１０の底部との境界部分は封止してあり、水槽１０の外側（気体側）にある振動体３０の部分と水槽１０の水とを完全分離してある。水槽１０の外側にある振動体３０の部分には、圧電素子４が設けられているので、圧電素子４の電気配線等が液体に浸かることを防止できる。

振動体３０には、空気を通すための導入孔３０ｄが設けられてあり、導入孔３０ｄの一端が水槽１０の水側に、導入孔３０ｄの他端が水槽１０の外側にそれぞれ設けられている。導入孔３０ｄの他端から送り込まれた空気は、導入孔３０ｄを通って振動体３０の一端（水槽１０の水側）に設けた振動板２に至る。

気泡発生装置１ａでは、水槽１０の外側にある振動体３０の側面に設けた圧電素子４で振動板２および振動体３０を振動させることで、導入孔３０ｄを通って送り込まれた空気を振動板２に形成した複数の細孔（開口部）から微細な気泡として発生させている。気泡発生装置１ａでは、図７に示す方向に背圧（例えば、０．０８ａｔｍ～０．１２ａｔｍ（８～１２ｋＰａ）程度）を加えることで、導入孔３０ｄを介して振動板２に形成した複数の細孔に空気を供給している。

気泡発生装置１ａでは、圧電素子４で振動板２および振動体３０を振動させている。図８は、本実施の形態２に係る気泡発生装置１ａの振動体３０の斜視図である。

振動体３０は、柱形状の部分３０ａと、柱形状の部分３０ａとは平行に配置されている柱形状の部分３０ｂとを有する。振動体３０は、柱形状の部分３０ａと柱形状の部分３０ｂとの中央部を連結部分３０ｃで連結したＨ字の形状である。柱形状の部分３０ａおよび柱形状の部分３０ｂの一端（水槽１０の水側）には、振動板２がそれぞれ設けられている。なお、柱形状の部分３０ａおよび柱形状の部分３０ｂの一端の形状が矩形であるため、振動板２の外形も矩形であるが、図５で示したようにガラス板２ａに複数の細孔２ｂが形成されている。

振動体３０は本実施の形態では、アルミ合金からなる。もっとも、アルミ合金に代えて、ステンレスなど他の金属材料が用いられてもよい。好ましくは、アルミ合金やステンレスなどの剛性の高い金属が望ましい。

振動体３０は、柱形状の部分３０ａと柱形状の部分３０ｂとの中央部を連結部分３０ｃで連結したＨ字（音叉）の形状である。そのため、振動体３０は、柱形状の部分３０ａ、柱形状の部分３０ｂおよび連結部分３０ｃが同じ材料により一体に構成されている。なお、振動体３０は、連結部分３０ｃに、別部材としての柱形状の部分３０ａおよび柱形状の部分３０ｂが接合され、連結部分３０ｃと、柱形状の部分３０ａおよび柱形状の部分３０ｂとが別部材で構成されていてもよい。

次に、気泡発生装置１ａでの振動板２および振動体３０の振動について詳しく説明する。図９は、本実施の形態２に係る気泡発生装置１ａの振動体３０の振動状態を示す図である。図９には、気泡発生装置１ａの振動体３０の振動についてシミュレーションした結果の変位が示されている。

図９に示す振動体３０では、柱形状の部分３０ａおよび柱形状の部分３０ｂに圧電素子４が設けられている。この圧電素子４の電極間に交流電界を印加することで、圧電素子４を屈曲振動モードで駆動して振動体３０を屈曲振動させる。この屈曲振動の変位により、振動体３０の第１の端部３ａおよび第２の端部３ｂに設けた振動板２が図中矢印方向（振動方向）に変位する。一方、振動板２に形成した複数の細孔２ｂを流れる気体の方向は図中上下方向であり、圧電素子４の駆動で振動する振動板２の振動方向と異なっている。

気泡発生装置１ａでは、図９に示すように振動板２を振動させる振動方向が、複数の細孔２ｂを流れる気体の方向に対して垂直方向となっている。そのため、気泡発生装置１ａでは、振動板２の表面に発生した気泡が、細孔２ｂから押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響を受け難く、気泡が一気に上昇して水槽１０の水面で大気中に放散されることを防止できる。また、気泡発生装置１ａでは、発生させた気泡を水槽１０の水中に長く浮遊させることができ、水中に残留する微細な気泡の量を多くすることができる。

特に、振動板２を振動させる振動方向が、複数の細孔２ｂを流れる気体の方向に対して垂直方向であれば、細孔２ｂから押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響をより受け難くすることができる。なお、気泡発生装置１ａは、図９に示すように振動板２を振動させる振動方向が、複数の細孔２ｂを流れる気体の方向に対して垂直方向である場合に限られず、振動板２の振動方向と、複数の細孔２ｂを流れる気体の方向とを異ならせて垂直方向となる振動成分を少なくとも含むのであれば、細孔２ｂから押し出される直噴流の流れに気泡が対して影響を受け難くできればよい。

以上のように、本実施の形態２に係る気泡発生装置１ａは、圧電素子４を屈曲振動モードで駆動し、圧電素子４の駆動で振動する振動板２の振動方向には、複数の細孔２ｂを流れる気体の方向と異なる方向を少なくとも含む。これにより、気泡発生装置１ａは、複数の細孔２ｂを流れる気体の方向と、振動板２を振動させる振動方向とを異ならせ、細孔２ｂから押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響を受け難くさせることができる。

（実施の形態３）
実施の形態１では、圧電素子４を屈曲振動モードで駆動して振動体３を屈曲振動させる構成について説明した。本実施の形態３では、圧電素子を屈曲振動モード以外で駆動して振動体を振動させる構成について説明する。

図１０は、本実施の形態３に係る気泡発生装置１ｂが用いられる水質浄化装置１２０の概略図である。なお、本実施の形態３に係る水質浄化装置１２０は、図１に示す実施の形態１に係る水質浄化装置１００の構成と同じで構成について同じ符号を付して詳細な説明を繰返さない。

気泡発生装置１ｂは、振動板２１と、振動体３１と、圧電素子４１と、保持部５１と、支持部６とを備えている。気泡発生装置１ｂは、水槽１０の底部の一部に開けた孔に保持部５１に保持された振動板２１を設けている。振動板２１と保持部５１との境界部分は封止してあり、保持部５１の内部空間と水槽１０の水とを完全分離してある。保持部５１の内部空間には、振動板２１の下面に圧電素子４１が設けられているので、圧電素子４１の電気配線等が液体に浸かることを防止できる。

振動板２１の下面に圧電素子４１を挟んで振動体３１が設けられている。振動体３１には、空気を通すための導入孔３１ｄが設けられてあり、導入孔３１ｄの一端が水槽１０の外側（気体側）に設けられている。保持部５１は、支持部６上に設けられている。支持部６には、導入孔６ａが設けてあり、導入孔６ａから導入孔３１ｄに空気が送り込まれる。導入孔６ａから送り込まれた空気は、振動体３１の導入孔３１ｄを通って振動板２１に至る。

気泡発生装置１ｂでは、振動体３１の外周端に設けた圧電素子４１で振動板２１および振動体３１を振動させることで、導入孔３１ｄを通って送り込まれた空気を振動板２１に形成した複数の細孔（開口部）から微細な気泡として発生させている。気泡発生装置１ｂでは、図１０に示す方向に背圧（例えば、０．０８ａｔｍ～０．１２ａｔｍ（８～１２ｋＰａ）程度）を加えることで、導入孔３１ｄを介して振動板２１に形成した複数の細孔に空気を供給している。

振動板２１は、複数の細孔が圧電素子４１を配置した位置近傍に形成され、一方の面が水槽１０の水（液体）と接し、他方の面が圧電素子４１と接している。気泡発生装置１ｂでは、振動体３１に設けた導入孔３１ｄを通った空気を振動板２１の細孔を通って水槽１０の水に送り込むことで微細な気泡を発生させている。

気泡発生装置１ｂでは、圧電素子４１で振動板２１および振動体３１を振動させている。図１１は、本実施の形態３に係る気泡発生装置１ｂの振動体３１の概略図である。図１１（ａ）は、振動体３１の部分断面図、図１１（ｂ）は、振動体３１の側面図である。

振動体３１は、中心部に導入孔３１ｄに設けたドーナツ状の板で、外周端部にリング状の圧電素子４１に連結されている。さらに、圧電素子４１は、振動体３１と連結した反対側の面で振動板２１に連結されている。

振動体３１は本実施の形態では、アルミ合金からなる。もっとも、アルミ合金に代えて、ステンレスなど他の金属材料が用いられてもよい。好ましくは、アルミ合金やステンレスなどの剛性の高い金属が望ましい。

圧電素子４１は、圧電体と、圧電体の両面に設けられた電極とを有する。圧電体は、厚み方向に、すなわち振動体３１と振動板２１とを重ねる方向に分極されている。圧電体は、圧電セラミックスなどの圧電体からなる。

圧電素子４１が振動体３１の外周端部に連結されている構造で圧電素子４１を拡がり振動モードで駆動することにより、振動板２１および振動体３１を拡がり振動する振動体を構成している。圧電素子４１では、圧電セラミックスの機械的共振を利用し、その共振周波数（例えば、１００ｋＨｚ～数ＭＨｚ）によって薄い角板または円板の面方向に拡がる拡がり振動モードで駆動することができる。

気泡発生装置１ｂでは、この圧電素子４１における拡がり振動モードでの駆動が、振動板２１および振動体３１を振動させて微細な気泡を発生させている。圧電素子４１の電極には、図示していないコントローラの信号が供給され、当該信号に基づいて圧電素子４１が駆動される。

なお、圧電素子４１は、リング状の圧電素子を振動体３１の一面に一つ設けると説明したが、これに限定されない。圧電素子４１は、例えば、振動体３１の一面に複数の圧電素子をリング状に並べて設けた構成でもよい。

次に、気泡発生装置１ｂの振動板２１および振動体３１の振動について詳しく説明する。図１２は、本実施の形態３に係る気泡発生装置１ｂの振動体３１の振動状態を示す図である。図１２には、気泡発生装置１ｂの振動体３１の振動についてシミュレーションした結果の変位方向が示されている。

図１２に示す振動体３１では、振動体３１の外周端部に圧電素子４１が設けられている。なお、振動板２１には、図５で示した振動板２とは異なり、複数の細孔２１ｂを中央部ではなく圧電素子４１を配置した位置近傍に形成している。振動板２１の中央部ではなく外周端部と中央部との間（振動板２１の周辺部から中央部までの範囲）に複数の細孔２１ｂを配置することで、圧電素子４１による拡がり振動の大きい位置に配置することができる。振動板２１に形成される複数の細孔２１ｂも、図６で示したような細孔２ｂが形成されている。

この圧電素子４１の電極間に交流電界を印加することで、圧電素子４１を拡がり振動モードで駆動して振動板２１を拡がり振動させる。この拡がり振動の変位により、振動板２１の中心から外周に向かう図中矢印方向（振動方向）に変位する。一方、振動板２１に形成した複数の細孔２１ｂを流れる気体の方向は図中上下方向（振動板２１の面に対して垂直方向）であり、圧電素子４１の駆動で振動する振動板２１の振動方向と異なっている。

気泡発生装置１ｂでは、図１２に示すように振動板２１を振動させる振動方向が、複数の細孔２１ｂを流れる気体の方向に対して垂直方向となっている。そのため、気泡発生装置１ｂでは、振動板２１の表面に発生した気泡が、細孔２１ｂから押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響を受け難く、気泡が一気に上昇して水槽１０の水面で大気中に放散されることを防止できる。また、気泡発生装置１ｂでは、発生させた気泡を水槽１０の水中に長く浮遊させることができ、水中に残留する微細な気泡の量を多くすることができる。

特に、振動板２１を振動させる振動方向が、複数の細孔２１ｂを流れる気体の方向に対して垂直方向であれば、細孔２１ｂから押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響をより受け難くすることができる。なお、気泡発生装置１ｂは、図１２に示すように振動板２１を振動させる振動方向が、複数の細孔２１ｂを流れる気体の方向に対して垂直方向である場合に限られず、振動板２１の振動方向と、複数の細孔２１ｂを流れる気体の方向とを異ならせて垂直方向となる振動成分を少なくとも含むのであれば、細孔から押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響を受け難くできればよい。なお、圧電素子４１を拡がり振動モードで駆動し、振動板２１に高次モードの屈曲振動が生じた場合、振動板２１を振動させる振動方向の振動成分には、垂直方向の拡がり振動成分以外に、平行方向の屈曲振動成分を含むことがある。しかし、平行方向の屈曲振動成分が、垂直方向の拡がり振動成分に対してわずかであれば、直噴流の流れに対する気泡の影響は小さい。

以上のように、本実施の形態３に係る気泡発生装置１ｂは、圧電素子４１を拡がり振動モードで駆動し、振動板２１の周辺部から中央部までの範囲に複数の細孔２１ｂを設け、振動板２１の周辺部を圧電素子４１の駆動で振動させる。これにより、気泡発生装置１ｂは、拡がり振動モードで圧電素子４１を駆動し、複数の細孔２１ｂを流れる気体の方向と、振動板２１を振動させる振動方向とを異ならせ、細孔２１ｂから押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響を受け難くさせることができる。

（実施の形態４）
実施の形態１では、圧電素子４を屈曲振動モードで駆動して振動体３を屈曲振動させる構成について説明した。本実施の形態４では、振動体を屈曲振動以外で振動させる構成について説明する。

図１３は、本実施の形態４に係る気泡発生装置１ｃが用いられる水質浄化装置１３０の概略図である。なお、本実施の形態４に係る水質浄化装置１３０は、図１に示す実施の形態１に係る水質浄化装置１００の構成と同じで構成について同じ符号を付して詳細な説明を繰返さない。

気泡発生装置１ｃは、振動板２２と、振動体３２と、圧電素子４２と、保持部５２ａ，５２ｂと、支持部６２を備えている。気泡発生装置１ｃは、水槽１０の底部の一部に開けた孔に保持部５２ａに保持された振動体３２を設けている。振動体３２と保持部５２ａとの境界部分は封止してあり、保持部５２ａよりも下側の空間と水槽１０の水とを完全分離してある。保持部５２ａよりも下側の空間には、圧電素子４２が設けられているので、圧電素子４２の電気配線等が液体に浸かることを防止できる。

保持部５２ａの上面に振動体３２を挟んで振動板２２が設けられている。振動体３２は、筒体で空気を通すことができる。保持部５２ｂは、支持部６２上に設けられ、圧電素子４２を挟んで保持部５２ａと連結している。保持部５２ａおよび保持部５２ｂは、中央部に開口部を有している。支持部６２は、筒体で空気を通すことができ、保持部５２ａおよび保持部５２ｂを介して振動体３２と連結することで振動板２２に空気が送り込まれる。

気泡発生装置１ｃでは、振動体３２の外周端に設けた圧電素子４２で振動板２２および振動体３２を振動させることで、支持部６２および振動体３２を通って送り込まれた空気を振動板２２に形成した複数の細孔（開口部）から微細な気泡として発生させている。気泡発生装置１ｃでは、図１３に示す方向に背圧（例えば、０．０８ａｔｍ～０．１２ａｔｍ（８～１２ｋＰａ）程度）を加えることで、支持部６２および振動体３２を介して振動板２２に形成した複数の細孔に空気を供給している。

振動板２２は、複数の細孔が振動板２２の中央部ではなく外周端部と中央部との間に形成され、一方の面が水槽１０の水（液体）と接し、他方の面が振動体３２と接している。

図１４は、本実施の形態４に係る気泡発生装置１ｃの振動体等の分解斜視図である。振動体３２は、筒体で、両端につば部を設けた形状である。振動体３２は、保持部５２ａを介して圧電素子４２と連結している。圧電素子４２は、保持部５２ａの開口部に沿って複数の圧電素子が配置されている。圧電素子４２は、保持部５２ｂを介して支持部６２に連結されている。

振動体３２は本実施の形態では、アルミ合金からなる。もっとも、アルミ合金に代えて、ステンレスなど他の金属材料が用いられてもよい。好ましくは、アルミ合金やステンレスなどの剛性の高い金属が望ましい。

圧電素子４２は、圧電体と、圧電体の両面に設けられた電極とを有する。圧電体は、厚み方向の分極を使用せず、図１４に示す矢印方向のように圧電体の長さ方向に対して平行に分極されている。圧電体は、圧電セラミックスなどの圧電体からなる。

圧電素子４２は、振動板２２の周辺部に対応する位置に複数の圧電素子を配置し、各々の圧電素子を長さ方向に振動させることで、振動板２２の面内でねじるように振動させる。

気泡発生装置１ｃでは、この圧電素子４２における駆動により、振動板２２を面内でねじるように振動させて微細な気泡を発生させている。圧電素子４２の電極には、図示していないコントローラの信号が供給され、当該信号に基づいて圧電素子４２が駆動される。

次に、気泡発生装置１ｃの振動板２２の振動について詳しく説明する。図１５は、本実施の形態４に係る気泡発生装置１ｃの振動板２２の振動状態を示す図である。図１５には、気泡発生装置１ｃの振動板２２の振動についてシミュレーションした結果の変位方向が示されている。

図１５に示す振動体３２では、振動体３２の外周端部に対応する位置に圧電素子４２が設けられている。なお、振動板２２には、図５で示した振動板２とは異なり、複数の細孔２２ｂを中央部ではなく圧電素子４２を配置した位置近傍に形成している。振動板２２の中央部ではなく外周端部と中央部との間（振動板２２の周辺部から中央部までの範囲）に複数の細孔２２ｂを配置することで、圧電素子４２によるねじり振動の大きい位置に配置することができる。振動板２２に形成される複数の細孔２２ｂも、図６で示したような細孔２ｂが形成されている。

この圧電素子４２の電極間に交流電界を印加することで、圧電素子４２の駆動により振動板２２をねじり振動させる。このねじり振動の変位により、振動板２２の中央部よりも外周部の方が大きい図中矢印方向（振動方向）の変位となる。一方、振動板２２に形成した複数の細孔２２ｂを流れる気体の方向は図中上下方向（振動板２２の面に対して垂直方向）であり、圧電素子４２の駆動で振動する振動板２２の振動方向と異なっている。

気泡発生装置１ｃでは、図１５に示すように振動板２２を振動させる振動方向が、複数の細孔２２ｂを流れる気体の方向に対して垂直方向となっている。そのため、気泡発生装置１ｃでは、振動板２２の表面に発生した気泡が、細孔２２ｂから押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響を受け難く、気泡が一気に上昇して水槽１０の水面で大気中に放散されることを防止できる。また、気泡発生装置１ｃでは、発生させた気泡を水槽１０の水中に長く浮遊させることができ、水中に残留する微細な気泡の量を多くすることができる。

特に、振動板２２を振動させる振動方向が、複数の細孔２２ｂを流れる気体の方向に対して垂直方向であれば、細孔２２ｂから押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響をより受け難くすることができる。なお、気泡発生装置１ｃは、図１５に示すように振動板２２を振動させる振動方向が、複数の細孔２２ｂを流れる気体の方向に対して垂直方向である場合に限られず、振動板２２の振動方向と、複数の細孔２２ｂを流れる気体の方向とを異ならせて垂直方向となる振動成分を少なくとも含むのであれば、細孔から押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響を受け難くできればよい。

以上のように、本実施の形態４に係る気泡発生装置１ｃは、振動板２２の周辺部に対応する位置に複数の圧電素子４２を配置し、振動板２２の周辺部から中央部までの範囲に複数の細孔２２ｂを設けている。気泡発生装置１ｃは、複数の細孔２２ｂを形成した振動板２２の面内でねじるように、振動板２２を複数の圧電素子４２の駆動で振動させる。これにより、気泡発生装置１ｃは、ねじり振動で振動板２２を振動させて、複数の細孔２２ｂを流れる気体の方向と、振動板２２を振動させる振動方向とを異ならせ、細孔２２ｂから押し出される直噴流の流れに対して気泡が影響を受け難くさせることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１ａ～１ｃ 気泡発生装置、２，２１，２２ 振動板、２ａ ガラス板、２ｂ，２１ｂ，２２ｂ 細孔、３，３０，３１，３２ 振動体、４，４１，４２ 圧電素子、１０ 水槽、１００，１１０，１２０，１３０ 水質浄化装置。

Claims (7)

1. 振動により微細な気泡を液体中に発生させる気泡発生装置であって、
   複数の開口部が形成され、一方の面が液体槽の液体と接し、他方の面が気体と接する振動板と、
   前記振動板を振動させる圧電素子と、
   前記振動板を保持し、前記圧電素子の振動を前記振動板に伝える振動体と、を備え、
   前記振動体は、前記振動板の前記他方の面に気体を導入するための導入孔を有し、前記振動板を保持する面に対して垂直の面に前記圧電素子が設けられ、
   前記振動板を振動させる振動方向には、前記複数の開口部を流れる気体の方向と異なる方向を少なくとも含む、気泡発生装置。
2. 振動により微細な気泡を液体中に発生させる気泡発生装置であって、
   複数の開口部が形成され、一方の面が液体槽の液体と接し、他方の面が気体と接する振動板と、
   前記振動板を振動させる圧電素子とを備え、
   前記振動板の周辺部に対応する位置に前記圧電素子を配置し、
   前記振動板の周辺部から中央部までの範囲に前記複数の開口部を設け、前記振動板の面内において中央部から周辺部の方向に拡がりまたは周辺部から中央部の方向に縮むように、前記振動板を前記圧電素子の駆動で振動させる、気泡発生装置。
3. 振動により微細な気泡を液体中に発生させる気泡発生装置であって、
   複数の開口部が形成され、一方の面が液体槽の液体と接し、他方の面が気体と接する振動板と、
   前記振動板を振動させる圧電素子とを備え、
   前記振動板の周辺部に対応する位置に複数の前記圧電素子を配置し、
   前記振動板の周辺部から中央部までの範囲に前記複数の開口部を設け、前記複数の開口部を形成した前記振動板の面内でねじるように、前記振動板を複数の前記圧電素子の駆動で振動させる、気泡発生装置。
4. 前記振動板を振動させる振動方向には、前記複数の開口部を流れる気体の方向に対して垂直方向の振動成分を少なくとも含む、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の気泡発生装置。
5. 前記振動板は、ガラス板で形成されている、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の気泡発生装置。
6. 前記振動板は、孔径が１μｍ～２０μｍの前記開口部を、孔径の１０倍以上の間隔で複数形成してある、請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の気泡発生装置。
7. 前記開口部の形状は、前記液体槽の液体と接する前記一方の面の孔径に比べ、気体と接する前記他方の面の孔径が大きいテーパ形状である、請求項１～請求項６のいずれか１項に記載の気泡発生装置。

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