WO2021245996A1 - 気泡発生装置、および気泡発生システム - Google Patents

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WO2021245996A1
WO2021245996A1 PCT/JP2021/006591 JP2021006591W WO2021245996A1 WO 2021245996 A1 WO2021245996 A1 WO 2021245996A1 JP 2021006591 W JP2021006591 W JP 2021006591W WO 2021245996 A1 WO2021245996 A1 WO 2021245996A1
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WO
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diaphragm
bubble generator
tubular body
pores
liquid
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/006591
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English (en)
French (fr)
Inventor
克己 藤本
見江 清水
順一 橋本
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01K—ANIMAL HUSBANDRY; AVICULTURE; APICULTURE; PISCICULTURE; FISHING; REARING OR BREEDING ANIMALS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NEW BREEDS OF ANIMALS
    • A01K63/00—Receptacles for live fish, e.g. aquaria; Terraria
    • A01K63/04—Arrangements for treating water specially adapted to receptacles for live fish
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes

Definitions

  • the present disclosure relates to a bubble generator and a bubble generator using the bubble generator.
  • Patent Document 1 a bubble generator for generating fine bubbles.
  • fine bubbles are generated by using a piezoelectric element.
  • the gas that has entered from the pores formed in the diaphragm is torn off and turned into bubbles by utilizing the vertical vibration of the diaphragm that vibrates flexibly.
  • This diaphragm has a large number of pores formed in the region near the center.
  • a metal material is used, and for example, stainless steel, nickel, platinum group metal (palladium, etc.) or an alloy thereof (for example, an alloy of palladium and nickel), gold or an alloy thereof, etc. may be used. can.
  • the bubble generator described in Patent Document 1 uses a diaphragm in which a large number of pores are formed in a metal material, a manufacturing method such as laser processing or a plating method is used in order to reduce the pore diameter of the pores. There is a need.
  • a manufacturing method such as laser processing or plating method
  • the aspect ratio between the thickness of the diaphragm and the pore diameter is almost fixed, so vibration that can process pores with a small pore diameter.
  • the thickness and size of the diaphragm that can vibrate in the ultrasonic band are determined by the density and young rate of the diaphragm. That is, the bending resonance frequency is inversely proportional to the square of the radius and proportional to the thickness.
  • the size of the diaphragm is adjusted to the thickness that can form pores (openings) with a small pore diameter by a manufacturing method such as laser processing or plating method, the size (diameter) of the diaphragm becomes smaller and the area where bubbles are generated is generated. Cannot be widened.
  • an object of the present disclosure is to provide a bubble generator capable of expanding the area for generating bubbles from a vibrated diaphragm while forming a fine opening, and a bubble generation system using the same. be.
  • the bubble generator according to one embodiment of the present disclosure is a bubble generator attached to a liquid tank and generating fine bubbles in the liquid of the liquid tank by vibration, and a plurality of openings are formed and one surface thereof is formed.
  • a diaphragm that is in contact with a liquid and the other surface of which is in contact with a gas, and a diaphragm that vibrates the diaphragm are provided, and a plurality of openings formed in the diaphragm are formed in the MEMS manufacturing process.
  • the bubble generation system includes the above-mentioned bubble generation device and a liquid tank.
  • the present disclosure since a plurality of openings are formed in the diaphragm in the MEMS manufacturing process, there is no limit to the thickness of the diaphragm that can process fine openings, and the area where bubbles are generated from the vibrated diaphragm is limited. Can be expanded.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a water quality purification device 100 in which the bubble generator 1 according to the present embodiment is used.
  • the water quality purification device 100 shown in FIG. 1 is an example of a bubble generation system including a liquid tank 10 which is a water tank and a bubble generation device 1.
  • the bubble generator 1 is provided, for example, at the bottom of the liquid tank 10, and generates fine bubbles 200 in the liquid (for example, water) of the liquid tank 10.
  • the bubble generation system is not limited to the water purification device 100, and can be applied to various systems such as a wastewater treatment device, a fish farming aquarium, and a fuel injection device.
  • the liquid tank 10 is different in the liquid to be introduced depending on the system to which it is applied.
  • the liquid tank 10 only needs to be able to temporarily store the liquid, and includes a pipe into which the liquid is introduced so that the liquid always flows in the pipe.
  • the bubble generator 1 includes a diaphragm 2, a tubular body 3, and a piezoelectric element 4.
  • the bubble generator 1 is formed in the diaphragm 2 by providing a diaphragm 2 in a hole formed in a part of the bottom of the liquid tank 10 and vibrating the diaphragm 2 with the piezoelectric element 4 via the tubular body 3. Fine bubbles 200 are generated from the plurality of pores (openings).
  • the diaphragm 2 is formed of, for example, an SOI (Silicon On Insulator) substrate. As will be described later, a plurality of pores are formed in the diaphragm 2 in the MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) manufacturing process, which is often applied to a general Si substrate. Therefore, the material used for the diaphragm 2 is not limited to the SOI substrate as long as it is a material capable of forming a plurality of pores in the MEMS manufacturing process. For example, in addition to a normal Si substrate, a resin plate, a metal plate, etc. A porous ceramic plate, a glass plate, or the like may be used.
  • the diaphragm 2 has a plurality of pores formed, one surface of which is in contact with the liquid (for example, water) of the liquid tank 10, and the other surface of which is in contact with gas (for example, air). That is, in the bubble generator 1, the liquid and the gas are separated by the diaphragm 2, and the back pressure is applied to the other surface (in the direction of the arrow shown in FIG. 1), so that the gas passes through the plurality of pores and becomes a liquid. It is sent into the liquid in the tank 10. The bubble generator 1 generates fine bubbles 200 by tearing off the gas sent through the plurality of pores by the vibration of the diaphragm 2.
  • FIG. 2 is a perspective view of the bubble generator 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the bubble generator 1 according to the present embodiment.
  • the tubular body 3 shown in FIG. 1 includes a first tubular body 31, a spring portion 32, a second tubular body 33, and a brim portion 34.
  • the portion including the tubular body 3 and the piezoelectric element 4 is a vibrating body that vibrates the diaphragm 2.
  • the bubble generating device 1 in FIG. 3 is a cross-sectional view cut at the center in the penetrating direction (vertical direction in the drawing) of the second tubular body 33.
  • the end of the diaphragm 2 is held by the end of the cylindrical first tubular body 31.
  • the first cylindrical body 31 is supported by the spring portion 32 on the side opposite to the diaphragm 2 side.
  • the spring portion 32 is a plate-shaped member that can be elastically deformed, supports the bottom surface of the cylindrical first tubular body 31, and extends outward from the supported position.
  • the spring portion 32 has a hollow circular shape and is extended so as to surround the circumference of the first tubular body 31 in a circular shape.
  • the spring portion 32 is supported by the second tubular body 33 at a position outside the position for supporting the first tubular body 31.
  • the second tubular body 33 has a cylindrical shape.
  • the second tubular body 33 supports the spring portion 32 at one end.
  • the other end of the second tubular body 33 has a plate-shaped brim 34 extending outward.
  • a hollow circular piezoelectric element 4 is provided on the lower surface of the brim portion 34.
  • the piezoelectric element 4 vibrates in the penetrating direction (vertical direction in the figure) of the second tubular body 33.
  • the piezoelectric element 4 may be directly provided at the other end of the second tubular body 33 without providing the brim portion 34 in the second tubular body 33.
  • the brim portion 34 is provided on the bottom surface side of the second tubular body 33 and extends outward.
  • the brim portion 34 has a hollow circular shape, and is extended so as to surround the circumference of the second tubular body 33 in a circular shape.
  • the piezoelectric element 4 vibrates in the penetrating direction of the second tubular body 33, so that the brim portion 34 vibrates the second tubular body 33 in the penetrating direction.
  • a plurality of rectangular piezoelectric elements 4 may be provided concentrically on the lower surface of the brim portion 34.
  • the hollow circular piezoelectric element 4 may be provided on the upper surface of the brim portion 34.
  • a plurality of rectangular piezoelectric elements 4 may be provided concentrically on the upper surface of the brim portion 34.
  • the first tubular body 31, the spring portion 32, the second tubular body 33, and the brim portion 34 are integrally formed.
  • the first tubular body 31, the spring portion 32, the second tubular body 33, and the brim portion 34 are made of, for example, a metal such as stainless steel or a synthetic resin. Preferably, a highly rigid metal such as stainless steel is desirable.
  • the first cylindrical body 31, the spring portion 32, the second tubular body 33, and the brim portion 34 may be formed as separate bodies or may be formed as separate members.
  • the method of joining the diaphragm 2 and the first tubular body 31 is not particularly limited.
  • the diaphragm 2 and the first tubular body 31 may be joined by an adhesive, welding, fitting, press-fitting, or the like.
  • the side surface of the second tubular body 33 is connected to the bubble generator 1 and the liquid tank 10 by connecting to a hole formed in a part of the bottom of the liquid tank 10, for example, as shown in FIG.
  • the second tubular body 33 is substantially non-vibrating even when the diaphragm 2 is vibrated by the piezoelectric element 4 as described later. Therefore, it is possible to substantially vibrate only the diaphragm 2 without transmitting the vibration of the piezoelectric element 4 to the liquid tank 10.
  • the piezoelectric element 4 vibrates, for example, by being polarized in the thickness direction.
  • the piezoelectric element 4 is made of lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramics. However, other piezoelectric ceramics such as (K, Na) NbO3 may be used. Further, a piezoelectric single crystal such as LiTaO3 may be used.
  • the structure of the diaphragm 2 in contact with the liquid is, for example, an SOI substrate, and the diaphragm 2 is vibrated by the piezoelectric element 4 via the tubular body 3, so that the space for introducing the gas and the liquid are formed. And can be completely separated. By completely separating the space into which the gas is introduced and the liquid, it is possible to prevent the electrical wiring and the like of the piezoelectric element 4 from being immersed in the liquid.
  • the diaphragm 2 may be configured such that a plurality of pores having a simple shape are formed by using the MEMS manufacturing process, but at least one micropore having a small pore diameter is formed in each of the formed plurality of pores (first opening). It is preferable to form (second opening).
  • FIG. 4 is a schematic view of the diaphragm 2 according to the present embodiment. The figure shown in FIG. 4A is a perspective view of the diaphragm 2, and the figure shown in FIG. 4B is a diagram for explaining the configuration of pores and micropores. In the diaphragm 2 shown in FIG.
  • a plurality of pores 2b are formed in a region of 5 mm ⁇ 5 mm provided in the central portion of the SOI substrate 2a having a diameter of 14 mm.
  • the diaphragm 2 can form 121 pores 2b in a region of 5 mm ⁇ 5 mm, for example, when the pore diameter of the pores 2b is 200 ⁇ m and the distance between the pores 2b is 250 ⁇ m.
  • the pore diameter of the pores 2b and the spacing between the pores 2b are different from the actual scale. There is.
  • the pores 2b do not penetrate as shown in FIG. 4B, and the upper surface in the figure is closed.
  • the thickness of the SOI substrate 2a is about 355 ⁇ m
  • the depth (length) of the pores 2b is 350 ⁇ m
  • the thickness of the surface that closes the pores 2b is 5 ⁇ m.
  • a plurality of micropores 2c are formed on the surface that closes the pores 2b.
  • the micropores 2c are provided on the surface on the side in contact with the liquid, and have a pore diameter of 0.05 ⁇ m to 20 ⁇ m, and about 100 micropores are formed for each pore 2b.
  • fine bubbles 200 having a diameter about 1/10 times the diameter of normally flowing bubbles are generated in the liquid of the liquid tank 10. Can be done. If the pore diameter of the fine pores 2c is 0.05 ⁇ m to 20 ⁇ m, bubbles of 10 ⁇ m or less can be generated. Bubbles of 10 ⁇ m or less are practically hard to scatter and disappear in a liquid.
  • the tube resistance of the gas passing through the pores 2b and the micropores 2c formed in the diaphragm 2 will be described. Since the tube resistance is proportional to the length (depth) of the tube, the thicker the diaphragm 2, the larger the tube resistance. Further, since the pipe resistance is inversely proportional to the inner diameter of the pipe, the smaller the pore diameters of the pores 2b and 2c, the larger the pipe resistance. Further, since the tube resistance is proportional to the square of the flow velocity of the gas, it increases as the force for pressurizing the gas is increased and the flow velocity is increased. Further, the pipe resistance is proportional to the coefficient of friction in the pipe.
  • the gas passing through the pores 2b and the fine pores 2c becomes easier to pass through as the thickness of the diaphragm 2 becomes thinner.
  • the pressure of the liquid is applied, and the lower surface is in contact with the gas and the back pressure is applied. Therefore, it is necessary to make the film thickness equal to or higher than the breaking strength so that the diaphragm 2 is not broken by these pressures.
  • the pore diameter of the pores 2b is determined by the film thickness of the surface that closes the pores 2b and the diameter at which the strength of the entire surface on which at least one micropore 2c is formed can be maintained.
  • the maximum principal stress is 68 MPa even if a pressure of 500 kPa is applied to the surface closing the pores 2b.
  • the surface that closes the pores 2b is a silicon layer, so that the material strength exceeds 1 GPa. Therefore, even if the pore diameter of the pore 2b is set to 200 ⁇ m, the surface that closes the pore 2b has sufficient rigidity.
  • the tube resistance of the diaphragm 2 is almost determined by the fine pores 2c. become.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the vibration of the diaphragm 2 of the bubble generator 1 according to the present embodiment.
  • the first tubular body 31 is displaced substantially uniformly up and down due to the vibration of the piezoelectric element 4, so that the entire diaphragm 2 vibrates substantially uniformly in the vertical direction. ..
  • the vibration of the piezoelectric element causes the largest displacement in the vertical direction in the central portion of the diaphragm, and in the peripheral portion.
  • the vibration is in a bending mode that does not displace.
  • the reference position of the bubble generator 1 before the start of vibration is shown by a broken line
  • the position of the bubble generator 1 after the displacement is shown by a solid line.
  • the second cylinder portion 34 is displaced.
  • the position of the spring portion 32 supporting the first tubular body 31 via the tubular body 33 rises upward.
  • the entire first tubular body 31 is displaced upward, and as a result, it is held by the first tubular body 31.
  • the entire diaphragm 2 is displaced upward.
  • the vibration plate 2 itself is not substantially deformed by the vibration of the piezoelectric element 4, and the entire diaphragm 2 is substantially uniformly in the vertical direction. Displace. Therefore, in the bubble generator 1, when the diaphragm 2 is driven in a plane by utilizing the vertical resonance of the spring portion 32, the gas is torn off due to the same displacement at any position to generate uniform bubbles. can. On the other hand, in the bubble generator to be compared, when the diaphragm is vibrated while holding the end of the diaphragm, the diaphragm is vibrated in the vibration mode in which the diaphragm is bent, and the vibration width becomes large at the center of the diaphragm. Only the gas will be torn off and bubbles will be generated.
  • the amplitude is different between the central part and the peripheral part of the diaphragm, so there is a difference in the tearing of the gas and bubbles with a large diameter remain.
  • the amplitudes of the central portion and the peripheral portion of the diaphragm are substantially the same, bubbles having a large diameter do not remain.
  • it is attempted to generate fine bubbles even in the peripheral part of the diaphragm it is necessary to apply a large vibration to the diaphragm, which may destroy the diaphragm itself. rice field.
  • the bubble generator 1 fine bubbles can be generated even in the peripheral portion of the diaphragm 2 without applying a large vibration to the diaphragm 2, so that the diaphragm 2 is not destroyed. Further, in the bubble generator to be compared, it is necessary to prepare a diaphragm having a hole only in the central portion of the diaphragm in order to suppress the variation in the diameter of the bubbles. However, in the bubble generator 1, it is not necessary to suppress the variation in the diameter of the bubbles, so that a hole can be provided in a portion (for example, a peripheral portion) other than the central portion of the diaphragm 2 to generate a large number of bubbles.
  • the difference in vibration between the bubble generator 1 according to the present embodiment and the bubble generator to be compared is based on the structural difference of the bubble generator 1.
  • the diaphragm 2 can be vibrated in such a manner that the displacement in the vertical direction is the largest in the central portion of the diaphragm 2 by increasing the excitation frequency. .. That is, the bubble generator 1 can vibrate in a plurality of different vibration modes depending on the frequency of excitation.
  • the frequency for exciting the bubble generator 1 can be adjusted by changing the frequency of the drive signal applied to the piezoelectric element 4.
  • the vibration that is most displaced in the vertical direction at the center of the diaphragm 2 is referred to as bending vibration, and such a vibration mode is referred to as bending vibration mode.
  • the vibration of the entire diaphragm 2 in the vertical direction substantially uniformly is called spring vibration (piston vibration), and such a vibration mode is called a spring vibration mode.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the frequency and impedance of the drive signal applied to the piezoelectric element 4 in the bubble generator 1 according to the present embodiment.
  • the position P indicates the frequency of the drive signal when the diaphragm 2 vibrates in the spring vibration mode.
  • the entire diaphragm 2 vibrates substantially uniformly in the vertical direction as in the bubble generator 1 shown in the upper right of FIG.
  • the frequency of the drive signal when the diaphragm 2 vibrates in the spring vibration mode is referred to as "resonance frequency in the spring vibration mode".
  • the impedance of the piezoelectric element 4 changes significantly at a frequency of about 51 kHz, which is larger than the frequency at the position P.
  • the position Q indicates the frequency of the drive signal when the diaphragm 2 vibrates in the bending vibration mode.
  • the diaphragm vibrates so as to be displaced most in the vertical direction at the center of the diaphragm 2.
  • the frequency of the drive signal when the diaphragm 2 vibrates in the bending vibration mode is referred to as “resonance frequency in the bending vibration mode”.
  • the resonance frequency of the higher-order bending vibration mode also exists at a frequency around about 55 kHz, which is higher than the frequency at the position Q.
  • the vibration mode changes depending on the frequency of the drive signal applied to the piezoelectric element 4.
  • the resonance frequency of the spring vibration mode is about 38 kHz, while the resonance frequency of the bending vibration mode is as large as about 51 kHz. If the resonance frequency of the spring vibration mode and the resonance frequency of the bending vibration mode are close to each other, the bubble generator 1 cannot vibrate the diaphragm 2 only in the spring vibration mode.
  • the relationship between the resonance frequency of the spring vibration mode and the resonance frequency of the bending vibration mode changes depending on the structure of the bubble generator 1. For example, the relationship between the resonance frequency of the spring vibration mode and the resonance frequency of the bending vibration mode changes greatly depending on the thickness of the diaphragm 2.
  • the bubble generator 1 is configured so that the resonance frequency of the bending vibration mode (resonance frequency of any vibration mode that bends the vibrating plate 2) is higher than the resonance frequency of the spring vibration mode (resonance frequency of the spring portion). It is preferable that the frequency is increased.
  • the thickness of the diaphragm 2 is adjusted so that the resonance frequency of the bending vibration mode is higher than the resonance frequency of the spring vibration mode.
  • piezoelectric is formed via a tubular body 3 having a first tubular body 31, a spring portion 32, a second tubular body 33, and a brim portion 34 as a vibrating body that vibrates the diaphragm 2.
  • the configuration of transmitting the vibration of the element 4 to the diaphragm 2 has been described.
  • the configuration of the vibrating body that vibrates the diaphragm 2 is not limited to this.
  • a structure of a vibrating body that transmits the vibration of the piezoelectric element 4 to the diaphragm 2 via a tubular body or a simple structure having a brim in the tubular body, and a structure in which the piezoelectric element 4 is directly connected to the vibrating plate 2 to vibrate may be used.
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a method for manufacturing a diaphragm according to the present embodiment.
  • the SOI substrate is composed of a support substrate 21 made of silicon, an insulating layer 22 formed on the support substrate 21, and a silicon layer 23 formed on the insulating layer 22.
  • the silicon layer 23 is thinner than the support substrate 21, and if the thickness of the support substrate 21 is 350 ⁇ m, the thickness of the silicon layer 23 is 5 ⁇ m. Although it is explained that the thickness of the silicon layer 23 is 5 ⁇ m, the thickness of the silicon layer 23 may be 50 ⁇ m or less.
  • FIG. 7 (b) is an enlarged view of one pore 2b formed in the diaphragm 2. The same applies to FIGS. 7 (c) and 7 (d).
  • FIG. 7B shows how the resist 41 is patterned on the portion of the silicon layer 23 in which the micropores 2c are not processed and etched to form the micropores 2c in the silicon layer 23.
  • the silicon oxide which is the insulating layer 22 serves as an etching stopper, and the fine holes 2c having substantially uniform vertical holes are formed in the silicon layer 23.
  • the resist 42 is also patterned on the portion of the support substrate 21 in which the pores 2b are not processed.
  • FIG. 7C shows how the pores 2b are formed in the support substrate 21 by etching the portion of the support substrate 21 in which the resist 42 is not patterned.
  • the silicon oxide which is the insulating layer 22 serves as an etching stopper, and the pores 2b having substantially uniform vertical holes are formed on the support substrate 21.
  • FIG. 7 (d) shows a state in which the pores 2b and the micropores 2c are penetrated by etching the portion of the insulating layer 22 between the pores 2b and the micropores 2c. ..
  • a gas phase or liquid phase etching agent is used for etching the portion of the insulating layer 22, and by removing the portion, a plurality of pores 2b and micropores 2c are formed in the plane of the diaphragm 2. After forming the pores 2b and the fine pores 2c in the diaphragm 2, unnecessary resists 41 and 42 are removed.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between the number of openings of the diaphragm and the resonance frequency according to the present embodiment.
  • the resonance frequency of the diaphragm 2 is determined by the thickness and size of the diaphragm 2, the resonance frequency is not affected unless the number of pores 2b is significantly increased.
  • the resonance frequency is 50.602 kHz when the peripheral portion (about 2 mm) is fixed and vibrated without providing the pores 2b in the SOI substrate 2a having a diameter of 14 mm and a thickness of 355 ⁇ m. Is shown.
  • the resonance frequency when 36 pores 2b (pore diameter 200 ⁇ m) are provided in the SOI substrate 2a having a diameter of 14 mm and a thickness of 355 ⁇ m and the peripheral portion (about 2 mm) is fixed and vibrated is shown. It shows that it is 50.931 kHz.
  • 121 pores 2b (hole diameter 200 ⁇ m) are provided on the SOI substrate 2a having a diameter of 14 mm and a thickness of 355 ⁇ m, and the resonance frequency when the peripheral portion (about 2 mm) is fixed and vibrated is set. It shows that it is 51.898 kHz.
  • 100 micropores 2c are formed in each of the pores 2b shown in FIGS. 8 (b) and 8 (c).
  • the resonance frequency of the diaphragm 2 is not affected, and the back pressure (gas pressing force) applied is minimized.
  • the diaphragm 2 can be vibrated.
  • the size of the micropores 2c formed in the diaphragm 2, the formation density in the plane, the position of the pores 2b, etc. can be freely designed, and the pores 2b and the micropores are concentrated in the place where the vibration width of the diaphragm 2 is large. It is easy to design by providing a large number of holes 2c.
  • the bubble generator 1 is a bubble generator that is attached to the liquid tank and generates fine bubbles 200 in the liquid of the liquid tank by vibration.
  • the bubble generator 1 includes a diaphragm 2 and a vibrating body (first tubular body 31, spring portion 32, second tubular body 33, brim portion 34, piezoelectric element 4).
  • a plurality of pores 2b and micropores 2c are formed, one surface of which is in contact with a liquid and the other surface of which is in contact with a gas.
  • the vibrating body vibrates the diaphragm 2.
  • the plurality of pores 2b and micropores 2c formed in the diaphragm 2 are formed in the MEMS manufacturing process.
  • the bubble generator 1 forms a plurality of pores 2b and micropores 2c in the diaphragm 2 in the MEMS manufacturing process, so that the thickness of the diaphragm capable of processing the pores 2b and the micropores 2c is not limited.
  • the area where bubbles are generated from the vibrated diaphragm 2 can be expanded.
  • micropores 2c are formed in the diaphragm 2 on each of the surfaces that block the pores 2b, so that the holes that generate bubbles are divided into upper and lower layers, and the tube resistance is formed. It is possible to generate fine bubbles while suppressing the rise.
  • micropores 2c on the side of the liquid tank 10 in contact with the liquid (for example, water).
  • the bubble generator 1 can generate fine bubbles by forming the fine holes 2c in the diaphragm 2.
  • the depth of the pores 2b is preferably deeper than the depth of the fine pores 2c. This facilitates the formation of micropores 2c in the diaphragm 2.
  • the diaphragm 2 is preferably an SOI substrate 2a composed of a support substrate 21, an insulating layer 22 formed on the support substrate 21, and a silicon layer 23 formed on the insulating layer 22. This facilitates the formation of the diaphragm 2 having the pores 2b and the micropores 2c.
  • micropores 2c are formed in the silicon layer 23. This facilitates the formation of micropores 2c in the diaphragm 2.
  • the pore diameter of the fine pores 2c is preferably 0.05 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the bubble generator 1 can generate fine bubbles from the fine holes 2c and can form practical indelible bubbles.
  • the vibrating body further has a piezoelectric element 4 that vibrates the diaphragm 2.
  • the vibrating body further has a tubular body 3 that holds the diaphragm 2 at one end, and the piezoelectric element 4 is provided at the other end of the tubular body 3.
  • the vibrating body preferably has a first cylindrical body 31, a spring portion 32, a second tubular body 33, and a piezoelectric element 4.
  • the first cylindrical body 31 holds the diaphragm 2 at one end.
  • the plate-shaped spring portion 32 supports the other end of the first tubular body 31.
  • the second cylindrical body 33 supports the position of the spring portion 32 outside the position for supporting the first tubular body 31 at one end.
  • the piezoelectric element 4 is provided at the other end of the second cylindrical body 33 and vibrates the second tubular body 33.
  • the bubble generation system (for example, the water quality purification device 100) includes a liquid tank 10 and a bubble generation device 1. Further, it is preferable that the bubble generator 1 is coupled to the liquid tank 10 on the side surface of the second cylindrical body 33.
  • the bubble generator 1 can efficiently generate uniform bubbles in the plane of the diaphragm 2 by vibrating the first cylindrical body 31 supported by the plate-shaped spring portion 32. Further, the bubble generator 1 can completely separate the space into which the gas is introduced from the liquid, and can prevent the electrical wiring of the piezoelectric element 4 and the like from being immersed in the liquid.
  • the bubble generator 1 since the bubble generator 1 is coupled to the liquid tank 10 on the side surface of the second tubular body 33, it is possible to prevent vibration leakage to the liquid tank itself, and the liquid tank itself is substantially made. Does not vibrate.
  • 1 bubble generator 2 diaphragm, 2a SOI plate, 2b pores, 2c micropores, 3 tubular body, 31 1st tubular body, 32 spring part, 33 2nd tubular body, 34 brim part, 4 piezoelectric Element, 10 liquid tank, 20 controller, 100 water purification device, 200 air bubbles.

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Abstract

本開示は、微細な開口部を形成しつつ、振動させた振動板から気泡を発生させる面積を広げることができる気泡発生装置、およびそれを用いた気泡発生システムを提供する。本開示は、液体槽に取り付け、振動により微細な気泡を液体槽の液体中に発生させる気泡発生装置を示す。気泡発生装置は、振動板（２）と、振動体とを備える。振動板（２）は、複数の細孔（２ｂ）および微細孔（２ｃ）が形成され、一方の面が液体と接し、他方の面が気体と接する。振動体は、振動板（２）を振動させる。振動板（２）に形成された複数の細孔（２ｂ）および微細孔（２ｃ）は、ＭＥＭＳ製造工程で形成される。

Description

気泡発生装置、および気泡発生システム
　本開示は、気泡発生装置、およびそれを用いた気泡発生システムに関する。
　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上下振動を利用して、振動板に形成した細孔から入ってきた気体を引きちぎり気泡化している。この振動板は、中心付近の領域に細孔が多数形成されている。振動板の材料としては、金属材料が使用され、例えば、ステンレス、ニッケル、プラチナ族金属（パラジウム等）又はその合金（例えば、パラジウムとニッケルの合金）、金又はその合金、等を使用することができる。
特開２０１６－２０９８２５号公報
　特許文献１に記載の気泡発生装置では、金属材料に多数の細孔を形成した振動板を用いるため、細孔の孔径を小さくしようとすれば、例えばレーザー加工やメッキ法などの製造方法を用いる必要がある。しかし、レーザー加工やメッキ法などの製造方法を用いて孔径の小さい細孔を形成する場合、振動板の厚みと孔径とのアスペクト比がほぼ決まっているため、孔径の小さい細孔を加工できる振動板の厚みに制限があった。
　特に、振動板を超音波帯で振動させる場合、振動板の密度およびヤング率により超音波帯で振動できる振動板の厚みおよび大きさが決まる。すなわち屈曲共振周波数は半径の２乗に反比例し厚みに比例する。同じ周波数で駆動する場合には厚みが薄い場合、径を絞って共振させる必要がある。そのため、レーザー加工やメッキ法などの製造方法で孔径の小さい細孔（開口部）を形成できる厚みに振動板のサイズを合わせると、振動板の大きさ（直径）が小さくなり気泡を発生させる面積を広くすることができない。
　そこで、本開示の目的は、微細な開口部を形成しつつ、振動させた振動板から気泡を発生させる面積を広げることができる気泡発生装置、およびそれを用いた気泡発生システム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、液体槽に取り付け、振動により微細な気泡を液体槽の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振動体とを備え、振動板に形成された複数の開口部は、ＭＥＭＳ製造工程で形成される。
　本開示の別の一形態に係る気泡発生システムは、前述の気泡発生装置と、液体槽と、を備える。
　本開示によれば、ＭＥＭＳ製造工程で振動板に複数の開口部を形成するので、微細な開口部を加工できる振動板の厚みに制限がなく、振動させた振動板から気泡を発生させる面積を広げることができる。
本実施の形態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。 本実施の形態に係る気泡発生装置の斜視図である。 本実施の形態に係る気泡発生装置の断面図である。 本実施の形態に係る振動板の概略図である。 本実施の形態に係る気泡発生装置の振動板の振動を説明するための図である。 本実施の形態に係る気泡発生装置における圧電素子に印加する駆動信号の周波数とインピーダンスとの関係を示す図である。 本実施の形態に係る振動板の製造方法を説明するための概略図である。 本実施の形態に係る振動板の開口部の数と共振周波数との関係を説明するための図である。
　（実施の形態）
　以下に、本実施の形態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に示す水質浄化装置１００は、水槽である液体槽１０と、気泡発生装置１とを含む気泡発生システムの一例である。気泡発生装置１は、例えば液体槽１０の底部に設けられ、液体槽１０の液体（例えば、水）に微細な気泡２００を発生させる。気泡発生システムは、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、燃料噴射装置などの様々なシステムに適用することができる。また、液体槽１０は、適用するシステムにより導入される液体が異なり、水質浄化装置１００であれば水であるが、燃料噴射装置であれば液体燃料になる。さらに、液体槽１０は、液体を一時的に貯留することができればよく、液体が導入される管で当該管の中を常に液体が流れるようなものも含む。
　気泡発生装置１は、振動板２と、筒状体３と、圧電素子４とを備えている。気泡発生装置１は、液体槽１０の底部の一部に開けた孔に振動板２を設け、筒状体３を介して圧電素子４で振動板２を振動することで、振動板２に形成した複数の細孔（開口部）から微細な気泡２００を発生させる。
　振動板２は、例えば、ＳＯＩ（Silicon　On　Insulator）基板で形成されている。後述するように、一般的なＳｉ基板に適用されることの多いＭＥＭＳ（Micro　Electro　Mechanical　Systems）製造工程で振動板２に複数の細孔を形成する。そのため、ＭＥＭＳ製造工程で複数の細孔を形成することができる材料であれば、振動板２に用いる材料はＳＯＩ基板に限定されず、例えば、通常のＳｉ基板の他、樹脂板、金属板、多孔質のセラミック板、ガラス板などでもよい。
　振動板２は、複数の細孔が形成され、一方の面が液体槽１０の液体（例えば、水）と接し、他方の面が気体（例えば、空気）と接している。つまり、気泡発生装置１では、振動板２で液体と気体とを分離し、他方の面に背圧を加え（図１に示す矢印方向）ることで、複数の細孔を通って気体が液体槽１０の液体に送り込まれる。気泡発生装置１は、複数の細孔を通って送り込まれた気体を、振動板２の振動で引きちぎることで微細な気泡２００を発生させている。
　気泡発生装置１では、筒状体３を介して圧電素子４で振動板２を振動させている。図２は、本実施の形態に係る気泡発生装置１の斜視図である。図３は、本実施の形態に係る気泡発生装置１の断面図である。図１に示す筒状体３は、図３に示すように第１筒状体３１、バネ部３２、第２筒状体３３、およびつば部３４を含んでいる。また、筒状体３と圧電素子４とを含む部分が、振動板２を振動させる振動体である。なお、図３の気泡発生装置１は、第２筒状体３３の貫通方向（図中、上下方向）に中央で切断した断面図である。
　振動板２の端部は、円筒状の第１筒状体３１の端部で保持されている。第１筒状体３１は、振動板２側と反対側でバネ部３２により支持されている。バネ部３２は、弾性変形可能な板状の部材であり、円筒状の第１筒状体３１の底面を支持し、支持した位置から外側に向かって延伸している。バネ部３２は、中空円状であり、第１筒状体３１の周囲を円形状に囲むように延伸している。
　バネ部３２は、第１筒状体３１を支持する位置の外側にある位置で第２筒状体３３により支持されている。第２筒状体３３は、円筒状の形態である。第２筒状体３３は、一方の端でバネ部３２を支持する。第２筒状体３３の他方の端には、外側に伸びる板状のつば部３４を有している。つば部３４の下面には中空円状の圧電素子４が設けられている。圧電素子４は、第２筒状体３３の貫通方向（図中、上下方向）に振動する。なお、第２筒状体３３につば部３４を設けずに、圧電素子４を直接第２筒状体３３の他方の端に設けてもよい。
　つば部３４は、第２筒状体３３の底面側に設けられ、外側に向かって延伸している。つば部３４は、中空円状であり、第２筒状体３３の周囲を円形状に囲むように延伸している。圧電素子４が第２筒状体３３の貫通方向に振動することにより、つば部３４が第２筒状体３３を貫通方向に振動させる。なお、つば部３４の下面に矩形状の圧電素子４を同心円状に複数設けてもよい。また、中空円状の圧電素子４をつば部３４の上面に設けてもよい。また、つば部３４の上面に矩形状の圧電素子４を同心円状に複数設けてもよい。
　第１筒状体３１、バネ部３２、第２筒状体３３、およびつば部３４は、一体的に形成される。第１筒状体３１、バネ部３２、第２筒状体３３、およびつば部３４は、たとえば、ステンレスなどの金属や合成樹脂からなる。好ましくは、ステンレスなどの剛性の高い金属が望ましい。なお、第１筒状体３１、バネ部３２、第２筒状体３３、およびつば部３４を別体で形成してもよいし、別部材で形成してもよい。振動板２と第１筒状体３１との接合方法は、特に問わない。振動板２と第１筒状体３１とを、接着剤、溶着、嵌合、圧入、などで接合してもよい。
　第２筒状体３３の側面は、たとえば図１に示すように液体槽１０の底部の一部に開けた孔と連結することにより、気泡発生装置１と液体槽１０とを結合させている。第２筒状体３３は、後述するように圧電素子４で振動板２を振動させても、ほぼ無振動である。そのため、圧電素子４の振動を液体槽１０に伝えずに、実質的に振動板２のみを振動させることが可能である。
　圧電素子４は、例えば、厚み方向において分極することで振動する。圧電素子４は、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなる。もっとも、（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３などの他の圧電セラミックスが用いられてもよい。さらにＬｉＴａＯ３などの圧電単結晶が用いられてもよい。
　気泡発生装置１では、液体に接する振動板２の構造を例えばＳＯＩ基板とし、筒状体３を介して圧電素子４で振動板２を振動させる構成にすることで、気体を導入する空間と液体とを完全分離することができる。気体を導入する空間と液体とを完全分離することで、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。
　振動板２は、ＭＥＭＳ製造工程を用いて単純な形状の細孔が複数形成される構成でもよいが、形成した複数の細孔（第１開口部）の各々に孔径が小さい少なくとも１つの微細孔（第２開口部）を形成することが好ましい。図４は、本実施の形態に係る振動板２の概略図である。図４（ａ）に示す図は、振動板２の斜視図であり、図４（ｂ）に示す図は、細孔と微細孔との構成を説明するため図である。図４（ａ）に示す振動板２は、例えば、直径１４ｍｍのＳＯＩ基板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２００μｍ、細孔２ｂの間隔を２５０μｍにした場合、５ｍｍ×５ｍｍの領域に１２１個の細孔２ｂを形成することができる。なお、図４（ａ）では、ＳＯＩ基板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。
　細孔２ｂは、図４（ｂ）に示すように貫通しておらず、図中上側の面が塞がれている。例えば、ＳＯＩ基板２ａの厚みが約３５５μｍである場合、細孔２ｂの深さ（長さ）が３５０μｍで、細孔２ｂを塞ぐ面の厚みが５μｍである。細孔２ｂを塞ぐ面には、図４（ｂ）に示すように微細孔２ｃが複数形成されている。微細孔２ｃは、液体と接する側の面に設けられ、孔径が０．０５μｍ～２０μｍで、１つの細孔２ｂに対して１００個程度形成されている。振動板２を振動させて当該微細孔２ｃから気体を導入することで、通常に流れる気泡の径に対して約１／１０倍の径の微細な気泡２００を液体槽１０の液体に発生させることができる。微細孔２ｃの孔径が０．０５μｍ～２０μｍであれば、１０μｍ以下の気泡を発生させることができる。１０μｍ以下の気泡は、実用的に液体中に飛散し難く消え難い気泡とされている。
　ここで、振動板２に形成される細孔２ｂ、微細孔２ｃを通る気体の管抵抗について説明する。管抵抗は、管の長さ（深さ）に比例するため、振動板２の厚みが厚いほど大きくなる。また、管抵抗は、管の内径に反比例するため、細孔２ｂ、微細孔２ｃの孔径が小さいほど大きくなる。さらに、管抵抗は、気体の流速の２乗に比例するため、気体を加圧する力を大きくして流速を早くするほど大きくなる。また、管抵抗は、管内の摩擦係数に比例する。
　このような管抵抗の観点から、細孔２ｂ、微細孔２ｃを通る気体は、振動板２の厚みが薄いほど通りやすくなる。一方、振動板２は、上面が液体と接するため液体の圧力が加わり、下面は気体と接し背圧が加えられている。そのため、これら圧力によって振動板２が破壊されないように破壊強度以上の膜厚にする必要がある。また、細孔２ｂの孔径は、細孔２ｂを塞ぐ面の膜厚と、少なくとも１つの微細孔２ｃが形成される面全体の強度が維持できる直径とにより決まる。具体的に、細孔２ｂを塞ぐ面の膜厚を５μｍ、細孔２ｂの孔径を２００μｍとすれば、細孔２ｂを塞ぐ面に５００ｋＰａの圧力を加えても最大主応力は６８Ｍｐａである。振動板２をＳＯＩ基板で形成する場合、細孔２ｂを塞ぐ面はシリコン層となるので、１ＧＰａを超える材料強度を有している。そのため、細孔２ｂの孔径を２００μｍとしても、細孔２ｂを塞ぐ面は十分な剛直さを有している。また、細孔２ｂの孔径が２００μｍであれば、細孔２ｂの深さ（長さ）が３５０μｍであったとしても管抵抗は小さく、振動板２の管抵抗は、ほぼ微細孔２ｃによって決まることになる。
　次に、気泡発生装置１での振動板２の振動について詳しく説明する。図５は、本実施の形態に係る気泡発生装置１の振動板２の振動を説明するための図である。本実施の形態に係る気泡発生装置１では、圧電素子４の振動により、第１筒状体３１が略均一に上下に変位することにより、振動板２の全体が略均一に上下方向に振動する。一方、比較対象の気泡発生装置（例えば、特開２０１６－２０９８２５号公報に記載の気泡発生装置）では、圧電素子の振動により、振動板の中央部で上下方向に最も大きく変位し、周辺部では変位しないような屈曲モードでの振動となる。図５では、振動を開始する前の気泡発生装置１の基準位置を破線で示し、変位後の気泡発生装置１の位置を実線で示す。
　図５を参照して、圧電素子４がコントローラ２０（図１参照）からの駆動信号に基づいて第２筒状体３３の貫通方向に振動することにより、つば部３４の外側が上方に変位すると、第２筒状体３３を介して第１筒状体３１を支持しているバネ部３２の位置が下側に沈み込む。第１筒状体３１を支持しているバネ部３２の位置が下側に沈み込むことで、第１筒状体３１の全体が下方に変位する結果、第１筒状体３１に保持されている振動板２の全体が下方に変位する。このとき、ノード（圧電素子４の振動によっても変位しない部分）は、第２筒状体３３の側面に形成される。そのため、第２筒状体３３の側面を、図１に示す液体槽１０の底部の一部に開けた孔に連結することで、気泡発生装置１と液体槽１０とを結合させ、圧電素子４の振動を液体槽１０に伝えずに、振動板２に振動を伝えている。
　図示していないが、圧電素子４がコントローラ２０（図１参照）からの駆動信号に基づいて第２筒状体３３の貫通方向に振動することにより、つば部３４が下方に変位すると、第２筒状体３３を介して第１筒状体３１を支持しているバネ部３２の位置が上側にせり上がる。第１筒状体３１を支持しているバネ部３２の位置が上側にせり上がることで、第１筒状体３１の全体が上方に変位する結果、第１筒状体３１に保持されている振動板２の全体が上方に変位する。
　図５に示すように、本実施の形態に係る気泡発生装置１においては、圧電素子４の振動により、振動板２自体がほぼ変形することなく、振動板２の全体が略均一に上下方向に変位する。そのため、気泡発生装置１では、バネ部３２の上下共振を利用して振動板２を平面的に駆動するとこでどの位置でも同じ変位による気体の引きちぎりが生じて均等な気泡を発生させることができる。一方、比較対象の気泡発生装置では、振動板の端を保持して振動板を振動させると、振動板を屈曲させる振動モードで振動させることになり、振動幅が大きくなる振動板の中心部でのみ気体の引きちぎりが生じて気泡を発生させることになる。
　比較対象の気泡発生装置では、振動板の中央部と周辺部とで振幅が違うので気体の引きちぎりに差が生じて大きな径の気泡が残留する。しかし、気泡発生装置１では、振動板の中央部と周辺部とでほぼ振幅が同じであるため大きな径の気泡が残留しない。また、比較対象の気泡発生装置では、振動板の周辺部においても微細な気泡を発生させようとすると、大きな振動を振動板に加える必要があるので振動板自体を破壊してしまう可能性があった。しかし、気泡発生装置１では、大きな振動を振動板２に加えなくても振動板２の周辺部においても微細な気泡を発生させることができるので、振動板２を破壊することはない。さらに、比較対象の気泡発生装置では、気泡の径のバラツキを抑えるために、振動板の中央部のみに孔を設けた振動板を準備する必要があった。しかし、気泡発生装置１では、気泡の径のバラツキを抑える必要がないので、振動板２の中央部以外の部分（例えば周辺部）にも孔を設けて多くの気泡を発生させることができる。
　本実施の形態に係る気泡発生装置１と比較対象の気泡発生装置とにおける振動の違いは、気泡発生装置１の構造上の違いに基づいている。さらに、本実施の形態に係る気泡発生装置１では、励振する周波数を高くすることで振動板２の中央部において上下方向の変位が最も大きくなるような態様で振動板２を振動させることもできる。すなわち、気泡発生装置１は、励振する周波数によって、複数の異なる振動モードで振動させることができる。ここで、気泡発生装置１を励振する周波数は、圧電素子４に印加する駆動信号の周波数を変更することにより調整することができる。以下では、振動板２の中央部で上下方向に最も大きく変位する振動のことを屈曲振動と称し、そのような振動モードを屈曲振動モードと称す。これに対し、振動板２の全体が略均一に上下方向に振動することをバネ振動（ピストン振動）と称し、そのような振動モードをバネ振動モードと称す。
　図６は、本実施の形態に係る気泡発生装置１における圧電素子４に印加する駆動信号の周波数とインピーダンスとの関係を示す図である。図６の位置Ｐで示す部分から分かるように、約３８ｋＨｚ辺りの周波数で圧電素子４のインピーダンスが大きく変化している。位置Ｐは、振動板２がバネ振動モードで振動する場合の駆動信号の周波数を示している。位置Ｐでは、図６の右上に示す気泡発生装置１のように振動板２の全体が略均一に上下方向に振動する。以下では、振動板２がバネ振動モードで振動する場合の駆動信号の周波数を「バネ振動モードの共振周波数」と称す。
　図６の位置Ｑで示す部分から分かるように、位置Ｐにおける周波数よりも大きい約５１ｋＨｚ辺りの周波数で圧電素子４のインピーダンスが大きく変化している。位置Ｑは、振動板２が屈曲振動モードで振動する場合の駆動信号の周波数を示している。位置Ｑでは、図６の右下に示す気泡発生装置１のように振動板２の中央部で上下方向に最も大きく変位するように振動する。以下では、振動板２が屈曲振動モードで振動する場合の駆動信号の周波数を「屈曲振動モードの共振周波数」と称す。なお、位置Ｑにおける周波数よりもさらに大きい約５５ｋＨｚ辺りの周波数にも高次の屈曲振動モードの共振周波数が存在している。
　図６で示すように、気泡発生装置１では、圧電素子４に印加する駆動信号の周波数により、振動モードが変化する。バネ振動モードの共振周波数は約３８ｋＨｚであるのに対して、屈曲振動モードの共振周波数は約５１ｋＨｚと大きい。仮に、バネ振動モードの共振周波数と、屈曲振動モードの共振周波数とが近似してくると、気泡発生装置１は、バネ振動モードのみで振動板２を振動させることができなくなる。ここで、バネ振動モードの共振周波数と、屈曲振動モードの共振周波数との関係は、気泡発生装置１の構造により変化する。例えば、振動板２の厚さにより、バネ振動モードの共振周波数と、屈曲振動モードの共振周波数との関係は大きく変化する。
　そこで、気泡発生装置１では、屈曲振動モードの共振周波数（振動板２を屈曲させるいずれの振動モードの共振周波数）が、バネ振動モードの共振周波数（バネ部の共振周波数）より高くなるように構成されていることが好ましい。例えば、振動板２の厚さを調整して、屈曲振動モードの共振周波数が、バネ振動モードの共振周波数より高くなるように調整する。
　なお、気泡発生装置１では、振動板２を振動させる振動体として、第１筒状体３１、バネ部３２、第２筒状体３３、およびつば部３４を有する筒状体３を介して圧電素子４の振動を振動板２に伝える構成を説明した。しかし、振動板２を振動させる振動体の構成はこれに限られない。例えば、筒状体や筒状体につば部を有する簡単な構造を介して圧電素子４の振動を振動板２に伝える振動体の構成、圧電素子４を振動板２に直接接続して振動を振動板２に伝える振動体の構成などであってもよい。
　次に、振動板２の製造方法を説明する。図７は、本実施の形態に係る振動板の製造方法を説明するための概略図である。まず、振動板２の形状に成型したＳＯＩ基板を準備する（図７（ａ））。ＳＯＩ基板は、シリコンで形成される支持基板２１と、支持基板２１上に形成された絶縁層２２と、絶縁層２２上に形成されたシリコン層２３とで構成される。シリコン層２３は、支持基板２１に比べて薄く、支持基板２１の厚みを３５０μｍとするとシリコン層２３の厚みは５μｍである。なお、シリコン層２３の厚みは５μｍであると説明するが、シリコン層２３の厚みは５０μｍ以下であればよい。
　ＳＯＩ基板の振動板２に対する細孔２ｂおよび微細孔２ｃを加工には、例えばシリコンのＭＥＭＳ製造工程に用いられるＤＲＩＥ（Deep　Reactive　Ion　Etching）プロセスを用いる。まず、薄いシリコン層２３側に微細孔２ｃを加工する（図７（ｂ））。なお、図７（ｂ）は、振動板２に形成される１つの細孔２ｂを拡大して図示してある。図７（ｃ）および図７（ｄ）も同様である。
　図７（ｂ）には、微細孔２ｃを加工しないシリコン層２３の部分にレジスト４１をパターニングし、エッチングすることでシリコン層２３に微細孔２ｃが形成される様子が図示されている。微細孔２ｃを形成するエッチングでは、絶縁層２２である酸化シリコンがエッチングストッパーとなり、ほぼ均一な垂直孔の微細孔２ｃがシリコン層２３に形成される。なお、図７（ｂ）では、細孔２ｂを加工しない支持基板２１の部分にもレジスト４２がパターニングされている。
　次に、図７（ｃ）には、レジスト４２をパターニングしていない支持基板２１の部分をエッチングすることで支持基板２１に細孔２ｂが形成される様子が図示されている。細孔２ｂを形成するエッチングでは、絶縁層２２である酸化シリコンがエッチングストッパーとなり、ほぼ均一な垂直孔の細孔２ｂが支持基板２１に形成される。
　次に、図７（ｄ）には、細孔２ｂと微細孔２ｃとの間にある絶縁層２２の部分をエッチングすることで細孔２ｂと微細孔２ｃとを貫通させる様子が図示されている。絶縁層２２の部分のエッチングには、気相や液相のエッチング剤を用い、当該部分を除去することで複数の細孔２ｂおよび微細孔２ｃを振動板２の平面内に形成している。なお、振動板２に細孔２ｂおよび微細孔２ｃを形成した後、不要なレジスト４１，４２は除去される。
　次に、振動板２の細孔２ｂ（開口部）の数と共振周波数との関係を説明する。図８は、本実施の形態に係る振動板の開口部の数と共振周波数との関係を説明するための図である。まず、振動板２の共振周波数は、振動板２の厚みとサイズによって決まるので、細孔２ｂの数をよほど増やさない限り共振周波数に影響を与えない。図８（ａ）には、直径１４ｍｍ、厚み３５５μｍのＳＯＩ基板２ａに細孔２ｂを設けずに、周辺部分（約２ｍｍ）を固定して振動させた場合の共振周波数が５０．６０２ｋＨｚであることを示している。
　また、図８（ｂ）には、直径１４ｍｍ、厚み３５５μｍのＳＯＩ基板２ａに細孔２ｂ（孔径２００μｍ）を３６個設け、周辺部分（約２ｍｍ）を固定して振動させた場合の共振周波数が５０．９３１ｋＨｚであることを示している。さらに、図８（ｃ）には、直径１４ｍｍ、厚み３５５μｍのＳＯＩ基板２ａに細孔２ｂ（孔径２００μｍ）を１２１個設け、周辺部分（約２ｍｍ）を固定して振動させた場合の共振周波数が５１．８９８ｋＨｚであることを示している。なお、図示していないが、図８（ｂ）および図８（ｃ）に示す細孔２ｂの各々には、１００個の微細孔２ｃが形成されている。
　図８（ａ）と図８（ｃ）との共振周波数を比べると、ＳＯＩ基板２ａに細孔２ｂおよび微細孔２ｃを設けた影響は１．２ｋＨｚ（＝２．３％）程度と小さい。つまり、１２１個の細孔２ｂの各々に１００個の微細孔２ｃを設け、計１２１００個の微細孔２ｃを設けた影響は、ＳＯＩ基板２ａの厚みを変化させたときの共振周波数への影響に換算しなおせば、厚み３５５μｍのＳＯＩ基板２ａに対して約８μｍ厚みを変更した程度に過ぎない。そのため、図４で説明した細孔２ｂおよび微細孔２ｃを設けた振動板２の構造を採用しても振動板２の共振周波数に影響を与えず、加える背圧（気体加圧力）を最小限にして振動板２を振動させることができる。また、振動板２に形成する微細孔２ｃのサイズや平面内の形成密度、細孔２ｂの位置などを自由に設計でき、振動板２の振動幅の大きい場所に集中的に細孔２ｂおよび微細孔２ｃの数を多く設けるなどの設計が容易である。
　以上のように、本実施の形態に係る気泡発生装置１は、液体槽に取り付け、振動により微細な気泡２００を液体槽の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、振動板２と、振動体（第１筒状体３１、バネ部３２、第２筒状体３３、つば部３４、圧電素子４）とを備える。振動板２は、複数の細孔２ｂおよび微細孔２ｃが形成され、一方の面が液体と接し、他方の面が気体と接する。振動体は、振動板２を振動させる。振動板２に形成された複数の細孔２ｂおよび微細孔２ｃは、ＭＥＭＳ製造工程で形成される。
　これにより、気泡発生装置１は、ＭＥＭＳ製造工程で振動板２に複数の細孔２ｂおよび微細孔２ｃを形成するので、細孔２ｂおよび微細孔２ｃを加工できる振動板の厚みに制限がなく、振動させた振動板２から気泡を発生させる面積を広げることができる。
　また、振動板２に形成される複数の細孔２ｂと、細孔２ｂを塞ぐ一方の面の各々に形成され、細孔２ｂより孔径が小さい少なくとも１つの微細孔２ｃと、を有することが好ましい。これにより、気泡発生装置１は、細孔２ｂを塞ぐ一方の面の各々に微細孔２ｃが振動板２に形成されることで、気泡を発生させる孔を上下層で機能を分割し、管抵抗を上昇を抑えつつ微細な気泡を発生させることができる。
　さらに、液体槽１０の液体（例えば、水）と接する側に微細孔２ｃを有することが好ましい。これにより、気泡発生装置１は、微細孔２ｃが振動板２に形成されることで微細な気泡を発生させることができる。
　また、細孔２ｂの深さは、微細孔２ｃの深さより深いことが好ましい。これにより、振動板２に微細孔２ｃを形成することが容易となる。
　さらに、振動板２は、支持基板２１と、支持基板２１上に形成された絶縁層２２と、絶縁層２２上に形成されたシリコン層２３とで構成されるＳＯＩ基板２ａであることが好ましい。これにより、細孔２ｂおよび微細孔２ｃを有する振動板２を形成することが容易となる。
　また、微細孔２ｃは、シリコン層２３に形成されることが好ましい。これにより、振動板２に微細孔２ｃを形成することが容易となる。
　さらに、微細孔２ｃの孔径は、０．０５μｍ～２０μｍであることが好ましい。これにより、気泡発生装置１は、微細孔２ｃから微細な気泡を発生させることができ、実用的な消えない気泡を形成することができる。
　また、振動体は、振動板２を振動させる圧電素子４をさらに有することが好ましい。さらに、振動体は、一方の端で振動板２を保持する筒状体３をさらに有し、圧電素子４は、筒状体３の他方の端に設けられることが好ましい。また、振動体は、第１筒状体３１と、バネ部３２と、第２筒状体３３と、圧電素子４とを有することが好ましい。第１筒状体３１は、一方の端で振動板２を保持する。板状のバネ部３２は、第１筒状体３１の他方の端を支持する。第２筒状体３３は、第１筒状体３１を支持する位置の外側にあるバネ部３２の位置を一方の端で支持する。圧電素子４は、第２筒状体３３の他方の端に設けられ、第２筒状体３３を振動させる。なお、気泡発生システム（例えば、水質浄化装置１００）は、液体槽１０と、気泡発生装置１と、を備える。また、気泡発生装置１は、第２筒状体３３の側面で液体槽１０と結合させてあることが好ましい。
　これにより、気泡発生装置１は、板状のバネ部３２で支持する第１筒状体３１を振動させることで、振動板２の面内で均一な気泡を効率よく発生させることができる。また、気泡発生装置１は、気体を導入する空間と液体とを完全分離することができ、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。なお、気泡発生システムでは、第２筒状体３３の側面で気泡発生装置１を液体槽１０と結合させてあるので、液体槽自体への振動漏れを防ぐことができ、液体槽自体を実質的に振動させることがない。
　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　気泡発生装置、２　振動板、２ａ　ＳＯＩ板、２ｂ　細孔、２ｃ　微細孔、３　筒状体、３１　第１筒状体、３２　バネ部、３３　第２筒状体、３４　つば部、４　圧電素子、１０　液体槽、２０　コントローラ、１００　水質浄化装置、２００　気泡。

Claims (12)

  1. 　液体槽に取り付け、振動により微細な気泡を前記液体槽の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振動体とを備え、
    　前記振動板に形成された前記複数の開口部は、ＭＥＭＳ製造工程で形成される、気泡発生装置。
  2. 　前記複数の開口部は、
    　前記振動板に形成される複数の第１開口部と、
    　前記第１開口部を塞ぐ一方の面の各々に形成され、前記第１開口部より孔径が小さい少なくとも１つの第２開口部と、を有する、請求項１に記載の気泡発生装置。
  3. 　前記複数の開口部は、前記液体槽の液体と接する側に前記第２開口部を有する、請求項２に記載の気泡発生装置。
  4. 　前記第１開口部の深さは、前記第２開口部の深さより深い、請求項２または請求項３に記載の気泡発生装置。
  5. 　前記振動板は、支持基板と、前記支持基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成されたシリコン層とで構成されるＳＯＩ基板である、請求項２～請求項４のいずれか１項に記載の気泡発生装置。
  6. 　前記第２開口部は、前記シリコン層に形成される、請求項５に記載の気泡発生装置。
  7. 　前記第２開口部の孔径は、０．０５μｍ～２０μｍである、請求項２～請求項６のいずれか１項に記載の気泡発生装置。
  8. 　前記振動体は、
    　前記振動板を振動させる圧電素子をさらに有する、請求項１～請求項７のいずれか１項に記載の気泡発生装置。
  9. 　前記振動体は、
    　一方の端で前記振動板を保持する筒状体をさらに有し、
    　前記圧電素子は、前記筒状体の他方の端に設けられる、請求項８に記載の気泡発生装置。
  10. 　前記筒状体は、第１筒状体と第２筒状体とからなり、
    　前記筒状体は、さらに板状のバネ部を有し、
    　前記第１筒状体は、一方の端で前記振動板を保持し、
    　前記バネ部は、前記第１筒状体の他方の端を支持し、
    　前記第２筒状体は、前記第１筒状体を支持する位置の外側にある前記バネ部の位置を一方の端で支持し、
    　前記圧電素子は、前記第２筒状体の他方の端に設けられる、請求項９に記載の気泡発生装置。
  11. 　請求項１～請求項１０のいずれか１項に記載の気泡発生装置と、
    　液体槽と、を備える、気泡発生システム。
  12. 　前記気泡発生装置は、前記第２筒状体の側面において前記液体槽と結合されている、請求項１１に記載の気泡発生システム。
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