WO2022190865A1 - 気泡発生装置、および気泡発生システム - Google Patents

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WO2022190865A1
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diaphragm
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piezoelectric element
liquid
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克己 藤本
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株式会社村田製作所
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    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present disclosure relates to an air bubble generator and an air bubble generation system.
  • the bubble generator described in Patent Document 1 uses a piezoelectric element to generate fine bubbles.
  • the central portion of the diaphragm is vertically vibrated by bending vibration, and the air bubbles generated in the pores formed in the diaphragm are torn off by the vibration and made finer.
  • an object of the present disclosure is to provide an air bubble generator and an air bubble generation system that effectively generate fine air bubbles regardless of the type of liquid put into the liquid tank.
  • An air bubble generator is an air bubble generator that is attached to a liquid tank and generates fine air bubbles in the liquid in the liquid tank.
  • a diaphragm provided at a position where the other surface is in contact with the liquid and the other surface is in contact with the gas
  • a first cylindrical body that supports the diaphragm with one end, and a plate that supports the other end of the first cylindrical body a spring portion
  • a second cylindrical body that supports the spring portion with one end at a position outside the position that supports the first cylindrical body
  • a piezoelectric element that vibrates the spring portion, the piezoelectric element is provided inside the position supported by the second cylindrical body on the surface of the spring portion on the side supported by the second cylindrical body.
  • a bubble generation system includes the above-described bubble generation device and a liquid tank.
  • the piezoelectric element is provided inside the position supported by the second cylindrical body on the surface of the spring portion on the side supported by the second cylindrical body. It is possible to effectively generate fine bubbles regardless of the type. Further, by making the outer diameter of the first cylindrical body smaller than the outer diameter of the diaphragm, the piezoelectric element can be made smaller, and the cost can be reduced.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an air bubble generation system in which an air bubble generator according to an embodiment is used;
  • FIG. 1 is a perspective view of an air bubble generator according to an embodiment;
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an air bubble generator according to an embodiment;
  • FIG. It is a figure for demonstrating the vibration of the diaphragm of the air-bubble generator which concerns on this Embodiment. It is a figure which shows the relationship between the frequency and impedance of the drive signal applied to the piezoelectric element of the bubble generator which concerns on this Embodiment. It is a figure which shows the change of the resonance frequency in the case where the vibration plate of the air bubble generator according to the present embodiment is driven in the air and in the case where the vibration plate is driven in liquid.
  • FIG. 10 is a diagram showing the amount of displacement of the diaphragm of the air bubble generator according to the present embodiment when the diaphragm is driven in air and when the diaphragm is driven in liquid; 10 is a perspective view of an air bubble generator according to Modification 1.
  • FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view of an air bubble generator according to Modification 2;
  • Fig. 10 is a perspective view of another structure;
  • FIG. 11 is a perspective view of yet another structure;
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an air bubble generation system 100 in which an air bubble generator 1 according to this embodiment is used.
  • the air bubble generator 1 shown in FIG. 1 is provided at the bottom of a liquid tank 10 that stores liquid such as water, gasoline, light oil, etc., and is used as an air bubble generation system 100 that generates fine air bubbles 200 in the liquid in the liquid tank 10. Used.
  • the air bubble generating system 100 can be applied to various systems such as a water purification device, a wastewater treatment device, a fish tank, and a fuel injection device.
  • the liquid introduced into the liquid tank 10 differs depending on the system to which it is applied. In the case of a water purification device, it is water, but in the case of a fuel injection device, it is liquid fuel. Further, the liquid tank 10 may be a tube into which the liquid is introduced and the liquid always flows through the tube.
  • the air bubble generator 1 includes a diaphragm 2, a cylindrical body 3, and a piezoelectric element 4.
  • the bubble generating device 1 is provided in a hole formed in a part of the bottom of the liquid tank 10, and vibrates the vibration plate 2 protruding from the hole toward the liquid side by a piezoelectric element 4, thereby forming a plurality of bubbles formed on the vibration plate 2. Fine bubbles 200 are generated from the pores (openings) of the film.
  • the diaphragm 2 is made of, for example, a resin plate, a metal plate, a Si or SOI (Silicon On Insulator) substrate, a porous ceramic plate, a glass plate, or the like.
  • the vibration plate 2 When the vibration plate 2 is made of a glass plate, it may be made of a glass plate that transmits ultraviolet light and deep ultraviolet light with wavelengths of 200 nm to 380 nm, for example.
  • a light source that emits ultraviolet light is provided from the other side of the diaphragm 2 to the liquid in the liquid tank 10, and sterilization by ozone generation and ultraviolet light irradiation. It can also be used as a sterilization by.
  • the vibration plate 2 has a plurality of pores, one surface is in contact with the liquid (eg water) of the liquid tank 10, and the other surface is in contact with gas (eg air). That is, in the bubble generator 1, the liquid and the air are separated by the vibration plate 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 liquid.
  • the liquid in bath 10 is fed.
  • the air bubble generator 1 generates fine air bubbles 200 by tearing off the gas sent through a plurality of pores by vibration of the diaphragm 2 .
  • the surface tension of the liquid prevents the gas from entering the liquid side, while the buoyancy of the gas acts to cut off the surface tension.
  • the diameter of the air bubble 200 is determined by this balance, and the vibration of the diaphragm 2 produces the effect of peeling the air bubble 200 from the wall surface of the pore, as if the surface tension were reduced.
  • the gas is torn off due to the vibration of the diaphragm 2, and the diameter of the fine particles is reduced to about 1/10 compared to when the vibration of the diaphragm 2 is not applied. bubbles 200 can be generated.
  • a plurality of pores are formed in a 5 mm x 5 mm area provided in the central portion of the diaphragm 2 with a diameter of 14 mm.
  • the pore diameter is 1 ⁇ m and the pore interval is 0.25 mm, 441 pores can be formed in an area of 5 mm ⁇ 5 mm.
  • FIG. 2 is a perspective view of the bubble generator 1 according to this embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the air bubble generator according to this 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 weight portion 34 as shown in FIG. 3 is a cross-sectional view cut at the center in the penetrating direction of the second cylindrical body 33 (vertical direction in the drawing).
  • the end of the diaphragm 2 is held by the end of the cylindrical first tubular body 31 .
  • Diaphragm 2 is supported by first tubular body 31 at a position where the penetrating direction of the plurality of pores formed in diaphragm 2 is parallel to the vibration direction of first tubular body 31 .
  • the outer diameter of the first cylindrical body 31 is smaller than the diameter of the diaphragm 2. For example, while the diameter of the diaphragm 2 is 14 mm, the outer diameter of the first cylindrical body 31 is 8 mm.
  • the first cylindrical body 31 is supported by the spring portion 32 at the end opposite to the diaphragm 2 side.
  • the spring portion 32 is an elastically deformable plate-like member, supports the bottom surface of the first cylindrical body 31, and extends outward from the supported position.
  • the spring portion 32 has a hollow circular shape, and the first cylindrical body 31 is formed on the hollow circular shape.
  • the spring part 32 is supported by the second tubular body 33 at a position outside the position where the first tubular body 31 is supported.
  • the second cylindrical body 33 has a cylindrical shape.
  • the second cylindrical body 33 supports the spring portion 32 with one end.
  • the other end of the second cylindrical body 33 has a cylindrical weight portion 34 on the outside.
  • the shape, position and mass of the weight portion 34 satisfy the conditions for enabling the driving in which the outer end portion of the spring portion 32 or the outer surface of the second cylindrical body 33 serves as a vibration node.
  • the shape, position, and mass of weight 34 are determined by performing a simulation including other configurations of air bubble generator 1 so as to satisfy the conditions.
  • the air bubble generator 1 may not have the weight 34 as long as it can be driven such that the outer end of the spring 32 or the outer surface of the second cylindrical body 33 becomes a vibration node. .
  • a hollow circular piezoelectric element 4 is provided on the lower surface of the spring portion 32 so as to match the shape of the spring portion 32 .
  • the piezoelectric element 4 vibrates in the penetrating direction of the first cylindrical body 31 (vertical direction in the drawing). By vibrating the piezoelectric element 4 in the penetrating direction of the first cylindrical body 31, the spring portion 32 is vibrated in the penetrating direction of the first cylindrical body 31, and the first cylindrical body 31 is substantially uniformly displaced in the vertical direction.
  • the piezoelectric element 4 may have a circular shape covering the entire inner diameter of the second cylindrical body 33 instead of the hollow circular shape.
  • the shape, position and mass of the weight 34 satisfy the conditions that when the piezoelectric element 4 is driven, the vibration plate 2 can be vertically vibrated in parallel.
  • the shape, position, and mass of weight 34 are determined by performing a simulation including other configurations of air bubble generator 1 so as to satisfy the conditions.
  • the air bubble generator 1 does not have to have the weight 34 as long as the vibration plate 2 can be driven to vertically vibrate in parallel. If the outer diameter of the first cylindrical body 31 is the same as the diameter of the diaphragm 2, the outer diameter of the second cylindrical body 33 will be large, and the piezoelectric element 4 will inevitably have a large diameter. , it becomes a factor of cost increase.
  • the outer diameter of the first tubular body 31 is smaller than the diameter of the diaphragm 2 . Specifically, it is sufficient that a space is formed in the first cylindrical body 31 that can secure the intake amount of air necessary for generating air bubbles, and the outer diameter of the first cylindrical body 31 is small. Since the diameter of the piezoelectric element 4 can be reduced as much as possible, the cost can be reduced.
  • the first tubular body 31, the spring portion 32, the second tubular body 33, and the weight portion 34 are integrally formed.
  • the first cylindrical body 31, the spring portion 32, the second cylindrical body 33, and the weight portion 34 are made of, for example, metal such as stainless steel or synthetic resin. Preferably, a highly rigid metal such as stainless steel is desirable.
  • the first cylindrical body 31, the spring portion 32, the second cylindrical body 33, and the weight portion 34 may be formed as separate bodies or may be formed as separate members.
  • a method for joining the diaphragm 2 and the first cylindrical body 31 is not particularly limited. Diaphragm 2 and first cylindrical body 31 may be joined by adhesive, welding, fitting, press-fitting, or the like.
  • the air bubble generator 1 is connected to a hole formed in a part of the bottom of the liquid tank 10 at the outer end of the spring portion 32 or the outer surface of the second cylindrical body 33. .
  • the outer end portion of the spring portion 32 or the outer surface of the second cylindrical body 33 is substantially non-vibrating even if the diaphragm 2 is vibrated by the piezoelectric element 4 as will be described later. Therefore, it is possible to substantially vibrate only the vibration plate 2 without transmitting the vibration of the piezoelectric element 4 to the liquid tank 10 .
  • the piezoelectric element 4 vibrates by being polarized in the thickness direction, for example.
  • the piezoelectric element 4 is made of lead zirconate titanate piezoelectric ceramics.
  • other piezoelectric ceramics such as (K,Na)NbO3 may be used.
  • a piezoelectric single crystal such as LiTaO3 may be used.
  • the structure of the diaphragm 2 in contact with the liquid is, for example, a glass plate. and can be completely separated. By completely separating the space into which the gas is introduced from the liquid, it is possible to prevent the electrical wiring of the piezoelectric element 4 from being immersed in the liquid. Further, in the bubble generator 1, even when a light source that emits ultraviolet light is provided for the liquid in the liquid tank 10, the light source can be provided in the space into which the gas is introduced. It can also prevent drowning.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining vibration of diaphragm 2 of air bubble generator 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the air bubble generator 1 and shows the displacement resulting from the simulation of the vibration of the diaphragm 2 .
  • the dashed line indicates the reference position of the air bubble generator 1 before starting vibration, and the solid line indicates the position of the air bubble generator 1 after displacement.
  • the spring portion 32 When the piezoelectric element 4 is vibrated in the penetrating direction of the first cylindrical body 31 based on the drive signal from the controller 20 (see FIG. 1), the spring portion 32 is displaced downward as shown in FIG. 4, for example. When the position of the spring portion 32 supporting the first tubular body 31 sinks downward, the first tubular body 31 as a whole is displaced downward. The entire vibrating plate 2 is displaced downward. At this time, a node (a portion that is not displaced by vibration of the piezoelectric element 4) is formed on the outer end of the spring portion 32 or the outer surface of the second cylindrical body 33.
  • FIG. 1 When the piezoelectric element 4 is vibrated in the penetrating direction of the first cylindrical body 31 based on the drive signal from the controller 20 (see FIG. 1), the spring portion 32 is displaced downward as shown in FIG. 4, for example. When the position of the spring portion 32 supporting the first tubular body 31 sinks downward, the first tubular body 31 as a whole is displaced downward. The entire vibr
  • the vibration of the piezoelectric element 4 is not substantially transmitted to the liquid reservoir 10 and the diaphragm 2 can be moved. It can vibrate.
  • the spring portion 32 is displaced downward and then 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 air bubble generating device 1 by vibrating the piezoelectric element 4 as described above, the diaphragm 2 itself is substantially not deformed, and the entire diaphragm 2 is substantially uniformly displaced in the vertical direction. . Therefore, in the air bubble generator 1 , by driving the diaphragm 2 in a planar manner using the vertical resonance of the spring portion 32 , the same shear stress is applied at any position of the diaphragm 2 , and the plurality of fine lines of the diaphragm 2 are subjected to the same shear stress. The gas sent through the holes is torn off by the shear stress to generate uniform bubbles.
  • vibration of the entire diaphragm 2 substantially uniformly in the vertical direction is referred to as spring vibration (piston vibration), and such a vibration mode is referred to as a spring vibration mode.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the frequency of the drive signal applied to the piezoelectric element 4 of the bubble generator 1 according to this embodiment and the impedance.
  • the impedance of the piezoelectric element 4 changes greatly at a frequency A around 32 kHz.
  • the controller 20 can vibrate the diaphragm 2 in a spring vibration mode.
  • This frequency A is the resonance frequency of the spring vibration mode.
  • FIG. 6 is a diagram showing changes in resonance frequency when the vibration plate 2 of the air bubble generator 1 according to the present embodiment is driven in air and when the vibration plate 2 is driven in liquid.
  • the resonance frequency occurs at a frequency around 32 kHz, and the vibration velocity of the diaphragm 2 is maximized.
  • the resonant frequency is around 30 kHz, and the vibrating speed of the vibrating plate 2 becomes maximum.
  • the vibration speed is lower when the diaphragm 2 is driven in the liquid, but the diaphragm 2 vibrates sufficiently even in the liquid. I know there is. Therefore, even if the diaphragm 2 is in the liquid, the bubble generator 1 generates a shear stress sufficient to tear off the gas sent through the plurality of pores of the diaphragm 2 and generate bubbles. I understand.
  • FIG. 7 is a diagram showing the amount of displacement of diaphragm 2 of air bubble generator 1 according to the present embodiment when diaphragm 2 is driven in air and when diaphragm 2 is driven in liquid. is.
  • FIG. 7(a) is a diagram showing the amount of displacement of the diaphragm 2 when the diaphragm 2 is driven in air
  • FIG. 7(b) is a diagram showing the vibration when the diaphragm 2 is driven in liquid.
  • 4 is a diagram showing the amount of displacement of the plate 2; FIG.
  • the vertical direction shown in FIG. 4 is the Z direction
  • the horizontal direction is the X direction
  • the direction perpendicular to the X and Z directions is the Y direction.
  • the solid line indicates the amount of displacement of the diaphragm 2 in the X direction
  • the broken line indicates the amount of displacement of the diaphragm 2 in the Y direction. 2 is displaced upward.
  • the bubble generator 1 is attached to the liquid tank 10 and generates fine bubbles in the liquid in the liquid tank 10 .
  • the bubble generator 1 includes a diaphragm 2 , a first cylindrical body 31 , a spring portion 32 , a second cylindrical body 33 and a piezoelectric element 4 .
  • the vibration plate 2 has a plurality of openings, and is provided at a position where one surface is in contact with the liquid in the liquid tank 10 and the other surface is in contact with the gas.
  • the first cylindrical body 31 supports the diaphragm 2 with one end.
  • the spring portion 32 is plate-shaped and supports the other end of the first tubular body 31 .
  • the piezoelectric element 4 vibrates the spring portion 32 .
  • the piezoelectric element 4 is provided inside the position supported by the second tubular body 33 on the surface of the spring portion 32 on the side supported by the second tubular body 33 .
  • the piezoelectric element 4 is provided on the surface of the spring portion 32 on the side supported by the second cylindrical body 33 and on the inner side of the position supported by the second cylindrical body 33. , fine air bubbles can be effectively generated regardless of the type of liquid put into the liquid tank 10 .
  • the piezoelectric element 4 is preferably provided over the entire inner diameter of the second cylindrical body 33 on the side of the spring portion 32 supported by the second cylindrical body 33 . Thereby, fine air bubbles can be generated more effectively.
  • the air bubble generator 1 includes a controller 20 (control unit) that contacts the liquid tank 10 at the outer end of the spring portion 32 or the outer surface of the second cylindrical body 33 and can control the driving of the piezoelectric element 4 . Further, it is preferable to have.
  • the resonance frequency of the piezoelectric element 4 fluctuates when the liquid enters the liquid tank 10 compared to when it is in the air.
  • the controller 20 searches while sweeping the driving frequency so that the outer end of the spring portion 32 or the outer surface of the second cylindrical body 33 becomes a vibration node, and controls the driving of the piezoelectric element 4 .
  • the vibration plate 2 can be vibrated without transmitting the drive of the piezoelectric element 4 to the liquid tank 10 .
  • the bubble generator 1 further include a weight portion 34 provided at the other end of the second tubular body 33 .
  • the weight portion 34 has a shape and a position that satisfy the condition that the outer end portion of the spring portion 32 or the outer surface of the second cylindrical body 33 becomes a node of vibration when the piezoelectric element 4 is driven. and mass. This makes it easier to achieve driving in which the outer end of the spring portion 32 or the outer surface of the second cylindrical body 33 serves as a vibration node.
  • the weight part 34 preferably has a shape, position, and mass that satisfy conditions for driving the diaphragm 2 to vertically vibrate in parallel when the piezoelectric element 4 is driven. This makes it easier to realize driving in which the diaphragm 2 vibrates vertically in parallel.
  • the diaphragm 2 is supported by the first cylindrical body 31 at a position where the penetrating direction of the plurality of pores formed in the diaphragm 2 is parallel to the vibration direction of the first cylindrical body 31. is preferred. As a result, the vibrating direction of the diaphragm 2 can be aligned with the direction in which buoyancy is generated in the gas.
  • FIG. 8 is a perspective view of an air bubble generator 1a according to Modification 1.
  • FIG. 8 the same components as those of the air bubble generator 1 shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will not be repeated.
  • the other end of the second cylindrical body 33 has a prism-shaped weight 34a on the outside.
  • the shape, position and mass of the weight portion 34a are determined under the condition that the outer end portion of the spring portion 32 or the outer surface of the second cylindrical body 33 can be driven as a vibration node and the diaphragm 2 is parallel. It satisfies the conditions that enable driving that vibrates vertically.
  • the shape, position and mass of the weight portion 34a are determined by performing a simulation including other configurations of the air bubble generator 1a so as to satisfy the conditions.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of an air bubble generator 1b according to Modification 2. As shown in FIG. In the air bubble generator 1b shown in FIG. 9, the same components as those of the air bubble generator 1 shown in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will not be repeated.
  • the plate 2b provided with a plurality of pores is perpendicular to the diaphragm 2a.
  • a provided structure 2A is provided.
  • the structural body 2A is in the shape of a hollow prism, and is provided with plates 2b on two opposing faces of the prism.
  • the hollow portion of the structural body 2A and the first tubular body 31 are connected by a hollow column 2c, and gas is sent from the first tubular body 31 to the hollow portion of the structural body 2A.
  • the gas sent into the hollow part of the structure 2A passes through multiple pores provided in the plate 2b and exits to the liquid side.
  • the gas that has passed through the plurality of pores to the liquid side is torn off by the plate 2b vibrated in the direction perpendicular to the vibrating plate 2a to form fine bubbles 200.
  • the vibrating plate 2a vertically vibrates in parallel. Therefore, a shear stress larger than the shear stress generated when the diaphragm 2 is vertically vibrated is applied to the gas that has passed through the plurality of pores to the liquid side in a direction perpendicular to the diaphragm 2a. It can be applied by a vibrating plate 2b.
  • the bubbles 200 emerge from the direction perpendicular to the diaphragm 2a toward the liquid, the bubbles 200 are not subjected to the sound pressure caused by the ultrasonic waves generated by the vibration of the diaphragm 2a, and are forced to rise by the sound pressure. There is no
  • the structure 2A is provided with a plate 2b having a plurality of pores, and the driving of the piezoelectric element 4 causes the structure 2A to vibrate up and down via the vibration plate 2a. Therefore, bending vibration of the plate 2b is less likely to occur.
  • the critical aspect ratio of pore processing is constant, the thinner the plate, the easier it is to form fine holes. That is, even if a plurality of finer pores are provided in the plate 2b, the plate 2b is less likely to be destroyed. For example, it becomes possible to process fine holes of 2 ⁇ m or less to 0.5 ⁇ m in the SOI substrate on the plate 2b.
  • FIG. 10 is a perspective view of another structure 2B.
  • the structural body 2B is a hollow cube, and plates 2b are provided on four sides of the cube.
  • the hollow portion of the structural body 2B and the first tubular body 31 are connected by a hollow column 2c, and gas is sent from the first tubular body 31 to the hollow portion of the structural body 2B.
  • bubbles 200 can be generated from four sides of the cube.
  • FIG. 11 is a perspective view of yet another structure 2C.
  • the structural body 2C has a hollow cylindrical shape, and a cylindrical body 2d having a plurality of pores is provided on the cylindrical side surface.
  • the hollow portion of the structural body 2C and the first tubular body 31 are connected by a hollow column 2c, and gas is sent from the first tubular body 31 to the hollow portion of the structural body 2C.
  • bubbles 200 can be generated from the entire circumference of the cylinder.
  • the vibration plate 2a preferably has structures 2A to 2C in which the penetrating direction of the plurality of pores is perpendicular to the vibration direction of the first cylindrical body 31.
  • the bubble 200 can be protected from ultrasonic waves, the shear stress of the plate 2b or the cylinder 2d is improved, and the plate 2b itself is less likely to break.
  • the structure is a cylindrical body. Thereby, the bubble 200 can be generated from the entire circumference of the structure 2C.
  • the second cylindrical body 33 may be provided with a flange portion 33a as shown in FIG. 2, and the liquid tank 10 may be coupled through the flange portion 33a.
  • airtightness between the bubble generator 1 and the liquid tank 10 is improved in the bubble generation system 100 including the bubble generator 1 and the liquid tank 10 .
  • the bubble generator 1 is coupled to the liquid tank 10 on the side surface of the second cylindrical body 33, it is possible to vibrate only the vibration plate 2 without transmitting the vibration of the piezoelectric element 4 to the liquid tank 10. be possible.
  • 1, 1a, 1b bubble generator 2, 2a diaphragm, 2A, 2B, 2C structure, 2b plate, 2c column, 2d cylinder, 3 cylinder, 4 piezoelectric element, 10 liquid tank, 20 controller, 31 1st cylindrical body, 32 spring portion, 33 second cylindrical body, 33a flange portion, 34, 34a weight portion, 100 air bubble generation system, 200 air bubbles.

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Abstract

本開示は、気泡発生装置（１）は、振動板（２）と、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、を備える。振動板（２）は、複数の開口部が形成され、一方の面が液体槽（１０）の液体と接し、他方の面が気体と接する位置に設けられる。第１筒状体（３１）は、一方の端により振動板（２）を支持する。バネ部（３２）は、板状であり、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）を支持する位置より外側にある位置においてバネ部（３２）を一方の端により支持する。圧電素子（４）は、バネ部（３２）を振動させる。圧電素子（４）は、第２筒状体（３３）により支持される側のバネ部（３２）の面において、第２筒状体（３３）により支持される位置よりも内側に設けられる。

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において利用されている。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（特開２０１６－２０９８２５号公報：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、屈曲振動により振動板の中央部を上下振動させて、振動板に形成した細孔において発生した気泡を振動により引きちぎり微細化している。
特開２０１６－２０９８２５号公報
　特許文献１に記載の気泡発生装置では、液体槽に入れる液体の種類によって、液体の比重が大きい、液体の表面張力が大きい、液体の粘性が高いなどが原因により、細孔において発生した気泡を振動板の振動により引きちぎって微細な気泡を発生させることができない場合があった。
　気泡発生装置により微細な気泡を発生させるために、振動板を圧電素子でより強く振動させる必要がある。しかし、圧電素子により振動板をより強く振動させると、振動板の振動が液体槽に漏れ、液体槽自体を振動させる問題があった。
　そこで、本開示の目的は、液体槽に入れる液体の種類によらず、微細な気泡を効果的に発生させる気泡発生装置、および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、液体槽の液体中に微細な気泡を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位置に設けられる振動板と、一方の端により振動板を支持する第１筒状体と、第１筒状体の他方の端を支持する板状のバネ部と、第１筒状体を支持する位置より外側にある位置においてバネ部を一方の端により支持する第２筒状体と、バネ部を振動させる圧電素子と、を備え、圧電素子は、第２筒状体により支持される側の前記バネ部の面において、第２筒状体により支持される位置よりも内側に設けられる。
　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、圧電素子を第２筒状体により支持される側の前記バネ部の面において、第２筒状体により支持される位置よりも内側に設けることで、液体槽に入れる液体の種類によらず、微細な気泡を効果的に発生させることができる。また、第１筒状体の外径を、振動板の外径よりも小さくすることで、圧電素子を小さくすることができ、コストダウンが可能になる。
本実施の形態に係る気泡発生装置が用いられる気泡発生システムの概略図である。 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の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気泡発生装置の振動板を気中でさせた場合と、振動板を液中で駆動させた場合と共振周波数の変化を示す図である。 本実施の形態に係る気泡発生装置の振動板を気中でさせた場合と、振動板を液中で駆動させた場合と振動板の変位量を示す図である。 変形例１に係る気泡発生装置の斜視図である。 変形例２に係る気泡発生装置の断面図である。 別の構造体の斜視図である。 さらに別の構造体の斜視図である。
　（実施の形態）
　以下に、本実施の形態に係る気泡発生装置、および気泡発生システムについて、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が用いられる気泡発生システム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，ガソリン，軽油などの液体を貯留する液体槽１０の底部に設けられ、液体槽１０の液体に微細な気泡２００を発生させる気泡発生システム１００に用いられる。なお、気泡発生システム１００は、例えば、水質浄化装置、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、水質浄化装置であれば水になるが、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において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設けられ、当該孔から液体側に突き出た振動板２を圧電素子４により振動させることにより、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を発生させている。
　振動板２は、例えば、樹脂板、金属板、ＳｉもしくはＳＯＩ（Silicon　On　Insulator）基板、多孔質のセラミック板、ガラス板などで形成されている。振動板２をガラス板により形成する場合、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により形成してもよい。紫外光および深紫外光を透過させるガラス板により形成することで、振動板２の他方の面側から液体槽１０の液体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。
　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により液体と空気とを分離し、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の振動により引きちぎることで微細な気泡２００を発生させている。
　さらに詳しく説明すると、複数の細孔から気体が出ようとする際、液体の表面張力によって液体側へ気体が侵入するのを阻害する一方、気体の浮力によりその表面張力を断ち切る力が働くことになる。このバランスにより気泡２００の径が決まることになるが、振動板２の振動により細孔の壁面からの引きはがし効果が生じ、あたかも表面張力が小さくなったかのような状態となる。その結果、複数の細孔から気体が出ようとする初期の段階で、振動板２の振動により気体が引きちぎられ、振動板２の振動を加えない場合に比べて１／１０程度の径の微細な気泡２００を発生させることができる。
　図示していないが、たとえば、直径１４ｍｍの振動板２の中央部に設けた５ｍｍ×５ｍｍの領域に複数の細孔が形成されている。細孔の孔径を１μｍ、細孔の間隔を０．２５ｍｍにした場合、５ｍｍ×５ｍｍの領域に４４１個の細孔を形成することができる。
　気泡発生装置１では、筒状体３を介して圧電素子４により振動板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、および錘部３４を含んでいる。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の端部により保持されている。振動板２に形成された複数の細孔の貫通方向が、第１筒状体３１の振動方向に対して平行となる位置において、振動板２が第１筒状体３１に支持されている。第１筒状体３１の外径は、振動板２の直径よりも小さくなっており、例えば振動板２の直径が１４ｍｍなのに対して第１筒状体３１の外径は８ｍｍである。第１筒状体３１は、振動板２側とは反対側の端部がバネ部３２に支持されている。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、当該中空円状の上に第１筒状体３１が形成されている。
　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において第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、一方の端によりバネ部３２を支持する。第２筒状体３３の他方の端には、外側に円筒状の錘部３４を有している。なお、錘部３４の形状、位置および質量は、バネ部３２の外側の端部または第２筒状体３３の外側面が振動のノードとなる駆動が可能となる条件を満たしている。錘部３４の形状、位置および質量は、気泡発生装置１の他の構成を含めてシミュレーションを行い、当該条件を満たすように決定する。もちろん、気泡発生装置１は、バネ部３２の外側の端部または第２筒状体３３の外側面が振動のノードとなる駆動が可能であれば、錘部３４を有していなくてもよい。
　バネ部３２の下面には、バネ部３２の形状に合わせて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１筒状体３１の貫通方向（図中、上下方向）に振動する。圧電素子４が第１筒状体３１の貫通方向に振動することにより、バネ部３２を第１筒状体３１の貫通方向に振動させて第１筒状体３１が略均一に上下方向に変位させる。なお、圧電素子４は、中空円状ではなく、第２筒状体３３の内径の全面を覆う円状であってもよい。なお、錘部３４の形状、位置および質量は、圧電素子４を駆動させた場合に、振動板２が平行に上下振動する駆動が可能となる条件を満たしていることがさらに望ましい。錘部３４の形状、位置および質量は、気泡発生装置１の他の構成を含めてシミュレーションを行い、当該条件を満たすように決定する。もちろん、気泡発生装置１は、振動板２が平行に上下振動する駆動が可能であれば、錘部３４を有していなくてもよい。第１筒状体３１の外径が振動板２の直径と同じであった場合、第２筒状体３３の外径が大きくなってしまうので、必然的に圧電素子４も大径化してしまい、コストアップの要因となってしまう。そこで、第１筒状体３１の外径は振動板２の直径よりも小さいことが望ましい。具体的には、気泡を発生させるために必要な空気の取り込み量が確保できる程度の空間が第１筒状体３１内に形成されていればよく、第１筒状体３１の外径は小さい程、圧電素子４を小径化できるので、コストダウンできる。
　第１筒状体３１、バネ部３２、第２筒状体３３、および錘部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、および錘部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、および錘部３４を別体として形成してもよいし、別部材として形成してもよい。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。
　気泡発生装置１は、図１に示すように、バネ部３２の外側の端部または第２筒状体３３の外側面において、液体槽１０の底部の一部に開けた孔と結合している。バネ部３２の外側の端部または第２筒状体３３の外側面は、後述するように圧電素子４により振動板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の構造を例えばガラス板とし、筒状体３を介して圧電素子４により振動板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。また、気泡発生装置１では、液体槽１０の液体に対して紫外光を発する光源を設ける場合でも、気体を導入する空間に当該光源を設けることができるので、当該光源の電気配線等が液体に浸かることも防止できる。
　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４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。図４には、気泡発生装置１の断面図に、振動板２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。
　コントローラ２０（図１参照）からの駆動信号に基づいて、圧電素子４を第１筒状体３１の貫通方向に振動させると、たとえば、図４に示すようにバネ部３２が下方に変位する。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により、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、バネ部３２の外側の端部または第２筒状体３３の外側面に形成される。そのため、バネ部３２の外側の端部または第２筒状体３３の外側面において液体槽１０と結合することにより、圧電素子４の振動を実質的に液体槽１０に伝えずに振動板２を振動させることができる。
　図示していないが、圧電素子４を振動させ続けることにより、バネ部３２が下方に変位した後、バネ部３２が上方に変位する。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により、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。
　本実施の形態に係る気泡発生装置１では、上述したように圧電素子４を振動させることにより、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ことにより、振動板２のどの位置においても同じせん断応力となり、振動板２の複数の細孔を通って送り込まれた気体を当該せん断応力により引きちぎり均等な気泡を発生させる。なお、本実施の形態では、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。
　気泡発生装置１は、振動板２をバネ振動モードにより振動させる場合、圧電素子４に印加する駆動信号の周波数を共振周波数とする。図５は、本実施の形態に係る気泡発生装置１の圧電素子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５から分かるように、約３２ｋＨｚ辺りの周波数Ａにおいて圧電素子４のインピーダンスが大きく変化している。コントローラ２０が、周波数Ａで振動板２を駆動することにより、振動板２をバネ振動モードにより振動させることができる。この周波数Ａが、バネ振動モードの共振周波数である。
　バネ振動モードの共振周波数は、振動板２を気中において駆動させた場合と、振動板２を液中において駆動させた場合とで変化する。図６は、本実施の形態に係る気泡発生装置１の振動板２を気中において駆動させた場合と、振動板２を液中において駆動させた場合と共振周波数の変化を示す図である。
　図６から分かるように、振動板２を気中において駆動させた場合、約３２ｋＨｚ辺りの周波数において共振周波数となり、振動板２の振動速度が最大となる。一方、振動板２を液中において駆動させた場合、約３０ｋＨｚ辺りの周波数において共振周波数となり、振動板２の振動速度が最大となる。振動板２を気中において駆動させた場合に比べ、振動板２を液中において駆動させた場合の方が、振動速度は低下しているが液中においても振動板２が十分に振動していることが分かる。そのため、気泡発生装置１は、振動板２が液中にあっても、振動板２の複数の細孔を通って送り込まれた気体を引きちぎり気泡を発生させるだけのせん断応力を生じていることが分かる。
　さらに、振動板２を気中において駆動させた場合と、振動板２を液中において駆動させた場合とで振動板２の変位量を比較する。図７は、本実施の形態に係る気泡発生装置１の振動板２を気中において駆動させた場合と、振動板２を液中において駆動させた場合との振動板２の変位量を示す図である。図７（ａ）は、振動板２を気中において駆動させた場合の振動板２の変位量を示す図で、図７（ｂ）は、振動板２を液中において駆動させた場合の振動板２の変位量を示す図である。なお、図７（ａ）および図７（ｂ）では、図４に示す上下方向をＺ方向、左右方向をＸ方向、Ｘ方向およびＺ方向に対して垂直方向をＹ方向としている。また、図７（ａ）および図７（ｂ）では、Ｘ方向の振動板２の変位量を実線で、Ｙ方向の振動板２の変位量を破線でそれぞれ示し、図中の矢印は振動板２を上方向に変位させている状態を示している。
　図７（ａ）から分かるように、振動板２を気中において２Ｖｐ－ｐの電圧で駆動させた場合、振動板２のＸＹ面内においてピーク値で見て均一に約３．３ｎｍ程度変位している。一方、図７（ｂ）から分かるように、振動板２を液中において駆動させた場合、振動板２を気中において駆動させた場合に比べて振動板２の端部における変位量が低下しているが、振動板２の中央部において振動板２のＸＹ面内において均一に約２．０ｎｍ程度変位している。通常、振動板を液中に入れると振動が制動されて１／１０程度になるが、このことからも、気泡発生装置１が、振動板２が液中にあっても、振動板２の複数の細孔を通って送り込まれた気体を振動板２の振動により引きちぎり気泡を十分発生させることが分かる。
　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１０に取り付け、液体槽１０の液体中に微細な気泡を発生させる。気泡発生装置１は、振動板２と、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、を備える。振動板２は、複数の開口部が形成され、一方の面が液体槽１０の液体と接し、他方の面が気体と接する位置に設けられる。第１筒状体３１は、一方の端により振動板２を支持する。バネ部３２は、板状であり、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を支持する位置より外側にある位置においてバネ部３２を一方の端により支持する。圧電素子４は、バネ部３２を振動させる。圧電素子４は、第２筒状体３３により支持される側のバネ部３２の面において、第２筒状体３３により支持される位置よりも内側に設けられる。
　これにより、気泡発生装置１は、圧電素子４を第２筒状体３３により支持される側で、第２筒状体３３により支持される位置よりも内側のバネ部３２の面に設けられるので、液体槽１０に入れる液体の種類によらず、微細な気泡を効果的に発生させることができる。
　圧電素子４は、第２筒状体３３により支持される側のバネ部３２の面において、第２筒状体３３の内径の全面に設けられることが好ましい。これにより、微細な気泡をより効果的に発生させることができる。
　気泡発生装置１は、バネ部３２の外側の端部、または第２筒状体３３の外側面で液体槽１０と接し、圧電素子４の駆動を制御することができるコントローラ２０（制御部）をさらに備えることが好ましい。圧電素子４の共振周波数は、液体槽１０に液体が入ることで、気中である場合に比べて変動する。コントローラ２０は、バネ部３２の外側の端部または第２筒状体３３の外側面が振動のノードとなるように駆動周波数を周波数掃引させながらサーチし、圧電素子４の駆動を制御することが好ましい。これにより、圧電素子４の駆動を液体槽１０に伝えずに振動板２を振動させることができる。
　気泡発生装置１は、第２筒状体３３の他方の端に設けられる錘部３４を、さらに備えることが好ましい。錘部３４は、圧電素子４を駆動させた場合に、バネ部３２の外側の端部または第２筒状体３３の外側面が振動のノードとなる駆動が可能となる条件を満たす形状、位置および質量を有することが好ましい。これにより、バネ部３２の外側の端部または第２筒状体３３の外側面が振動のノードとなる駆動をより実現しやすくなる。
　錘部３４は、圧電素子４を駆動させた場合に、振動板２が平行に上下振動する駆動が可能となる条件を満たす形状、位置および質量を有することが好ましい。これにより、振動板２が平行に上下振動する駆動をより実現しやすくなる。
　振動板２は、振動板２に形成された複数の細孔の貫通方向が、第１筒状体３１の振動方向に対して平行となる位置において第１筒状体３１に支持されていることが好ましい。これにより、気体に浮力が生じる方向に振動板２の振動方向を合わせることができる。
　（変形例１）
　前述の実施の形態に係る気泡発生装置１では、錘部３４の形状が第２筒状体３３の形状に沿って円筒状であると説明したが、これに限定されない。錘部の形状は、例えば、振動板２が液体と接する面側から見た形状が矩形形状であってもよい。図８は、変形例１に係る気泡発生装置１ａの斜視図である。なお、図８に示す気泡発生装置１ａのうち、図２に示す気泡発生装置１と同じ構成については同じ符号を付して詳しい説明は繰り返さない。
　第２筒状体３３の他方の端には、外側に角柱状の錘部３４ａを有している。なお、錘部３４ａの形状、位置および質量は、バネ部３２の外側の端部または第２筒状体３３の外側面が振動のノードとなる駆動が可能となる条件、および振動板２が平行に上下振動する駆動が可能となる条件を満たしている。錘部３４ａの形状、位置および質量は、気泡発生装置１ａの他の構成を含めてシミュレーションを行い、当該条件を満たすように決定する。
　（変形例２）
　さらに、前述の実施の形態に係る気泡発生装置１では、振動板２に形成された複数の細孔の貫通方向が、第１筒状体３１の振動方向に対して平行となる位置において振動板２が第１筒状体３１に支持されていると説明したが、これに限定されない。振動板は、例えば、複数の開口部の貫通方向が第１筒状体の振動方向に対して垂直となる構造体を有してもよい。図９は、変形例２に係る気泡発生装置１ｂの断面図である。なお、図９に示す気泡発生装置１ｂのうち、図３に示す気泡発生装置１と同じ構成については同じ符号を付して詳しい説明は繰り返さない。
　第１筒状体３１の端部により保持している振動板２ａに複数の細孔（開口部）を設けずに、複数の細孔を設けた板２ｂを振動板２ａに対して垂直方向に設けた構造体２Ａを設けている。構造体２Ａは、中空の角柱状であり、当該角柱状の対向する２面に板２ｂを設けている。構造体２Ａの中空部分と第１筒状体３１とは中空の柱２ｃにより接続され、第１筒状体３１から構造体２Ａの中空部に対して気体が送り込まれる。
　構造体２Ａの中空部に送り込まれた気体は、板２ｂに設けた複数の細孔を通って液体側に出る。複数の細孔を通って液体側に出た気体は、振動板２ａに対して垂直方向に振動させた板２ｂにより引きちぎられて微細な気泡２００となる。気泡発生装置１ｂは、圧電素子４を駆動させた場合に、振動板２ａが平行に上下振動するため、板２ｂに設けた複数の細孔の貫通方向が振動板２ａに対して上下振動する。そのため、複数の細孔を通って液体側に出た気体には、振動板２を上下振動させた場合に生じるせん断応力に比べて大きいせん断応力を、振動板２ａに対して垂直となる方向に振動する板２ｂにより加えることができる。また、気泡２００は、振動板２ａに対して垂直となる方向から液体側に出るので、振動板２ａの振動により生じる超音波による音圧を受けず、当該音圧により強制的に上昇させられることがない。
　さらに、複数の細孔を設けた板２ｂが構造体２Ａに設けられ、圧電素子４の駆動が振動板２ａを介して構造体２Ａを上下振動させるので、圧電素子４の駆動が板２ｂに対して直接加わらないため、板２ｂが屈曲振動し難くなる。板２ｂが屈曲振動し難くなることで、より薄い振動板を使っても屈曲変形による破損が防げる。細孔加工の限界アスペクト比は一定なので、板厚みが薄い方が微細な穴を形成しやすい。すなわち、より微細な複数の細孔を板２ｂに設けても破壊され難くなる。例えば、板２ｂにＳＯＩ基板に下限２μｍ以下の微細孔が０．５μｍまで加工可能になる。
　なお、構造体２Ａの構造は、図９に示した構造に限定されない。図９に示した構造体２Ａでは、角柱状の対向する２面に板２ｂを設けているが、立方体の４面に板２ｂを設けてもよい。図１０は、別の構造体２Ｂの斜視図である。構造体２Ｂでは、中空の立方体であり、当該立方体の側面の４面に板２ｂを設けている。構造体２Ｂの中空部分と第１筒状体３１とは中空の柱２ｃにより接続され、第１筒状体３１から構造体２Ｂの中空部に対して気体が送り込まれる。構造体２Ｂでは、立方体の４面から気泡２００を発生させることができる。
　さらに、構造体の形状は、中空の角柱状に限定されず中空の円筒状であってもよい。図１１は、さらに別の構造体２Ｃの斜視図である。構造体２Ｃでは、中空の円筒状であり、複数の細孔を設けた筒体２ｄを当該円筒状の側面に設けている。構造体２Ｃの中空部分と第１筒状体３１とは中空の柱２ｃにより接続され、第１筒状体３１から構造体２Ｃの中空部に対して気体が送り込まれる。構造体２Ｃでは、円筒状の全周から気泡２００を発生させることができる。
　振動板２ａは、複数の細孔の貫通方向が第１筒状体３１の振動方向に対して垂直となる構造体２Ａ～２Ｃを有すること好ましい。これにより、気泡２００を超音波から保護でき、板２ｂまたは筒体２ｄのせん断応力が向上し、板２ｂ自体が壊れ難くなる。なお、構造体は、筒状体であることが好ましい。これにより、構造体２Ｃの全周から気泡２００を発生させることができる。
　第２筒状体３３は、図２に示すようにフランジ部３３ａを設け、フランジ部３３ａを介して液体槽１０を結合させてもよい。これにより、気泡発生装置１と液体槽１０とを備える気泡発生システム１００において、気泡発生装置１と液体槽１０との気密性が高くなる。また、気泡発生装置１が、第２筒状体３３の側面において液体槽１０と結合されているので、圧電素子４の振動を液体槽１０に伝えずに、振動板２のみを振動させることが可能になる。
　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，１ｂ　気泡発生装置、２，２ａ　振動板、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ　構造体、２ｂ　板、２ｃ　柱、２ｄ　筒体、３　筒状体、４　圧電素子、１０　液体槽、２０　コントローラ、３１　第１筒状体、３２　バネ部、３３　第２筒状体、３３ａ　フランジ部、３４，３４ａ　錘部、１００　気泡発生システム、２００　気泡。

Claims (11)

  1. 　液体槽に取り付け、前記液体槽の液体中に微細な気泡を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、一方の面が前記液体槽の液体と接し、他方の面が気体と接する位置に設けられる振動板と、
    　一方の端により前記振動板を支持する第１筒状体と、
    　前記第１筒状体の他方の端を支持する板状のバネ部と、
    　前記第１筒状体を支持する位置より外側にある位置において前記バネ部を一方の端により支持する第２筒状体と、
    　前記バネ部を振動させる圧電素子と、を備え、
    　前記圧電素子は、前記第２筒状体により支持される側の前記バネ部の面において、前記第２筒状体により支持される位置よりも内側に設けられる、気泡発生装置。
  2. 　前記圧電素子は、前記第２筒状体により支持される側の前記バネ部の面において、前記第２筒状体の内径の全面に設けられる、請求項１に記載の気泡発生装置。
  3. 　前記バネ部の外側の端部、または前記第２筒状体の外側面が前記液体槽と接し、
    　前記圧電素子の駆動を制御することができる制御部をさらに備え、
    　前記制御部は、前記バネ部の外側の端部または前記第２筒状体の外側面が振動のノードとなるように、前記圧電素子の駆動を制御する、請求項１または請求項２に記載の気泡発生装置。
  4. 　前記第２筒状体の他方の端に設けられる錘部を、さらに備え、
    　前記錘部は、前記圧電素子を駆動させた場合に、前記バネ部の外側の端部または前記第２筒状体の外側面が振動のノードとなる駆動が可能となる条件を満たす形状、位置および質量を有する、請求項３に記載の気泡発生装置。
  5. 　前記錘部は、前記圧電素子を駆動させた場合に、前記振動板が平行に上下振動する駆動が可能となる条件を満たす形状、位置および質量を有する、請求項４に記載の気泡発生装置。
  6. 　前記錘部は、前記振動板が液体と接する面側から見た形状が矩形形状である、請求項４または請求項５に記載の気泡発生装置。
  7. 　前記振動板は、前記振動板に形成された前記複数の開口部の貫通方向が、前記第１筒状体の振動方向に対して平行となる位置において前記第１筒状体に支持される、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。
  8. 　前記振動板は、前記複数の開口部の貫通方向が前記第１筒状体の振動方向に対して垂直となる構造体を有する、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。
  9. 　前記構造体は、筒状体である、請求項８に記載の気泡発生装置。
  10. 　請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の前記気泡発生装置と、
    　前記液体槽と、を備える、気泡発生システム。
  11. 　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１０に記載の気泡発生システム。
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