WO2021245995A1 - 気泡発生装置、および気泡発生システム - Google Patents

気泡発生装置、および気泡発生システム Download PDF

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WO2021245995A1
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tubular body
bubble generator
diaphragm
piezoelectric element
liquid
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克己 藤本
見江 清水
順一 橋本
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株式会社村田製作所
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/26—Reducing the size of particles, liquid droplets or bubbles, e.g. by crushing, grinding, spraying, creation of microbubbles or nanobubbles

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.
  • the diaphragm is held by a rubber elastic body such as concentric silicon rubber in order to separate the liquid and the gas by the diaphragm.
  • a rubber elastic body such as concentric silicon rubber
  • the rubber elastic body partially absorbs the vibration of the diaphragm.
  • the vibration of the diaphragm vibrates from the shield to the liquid. It leaks into the tank (for example, a water tank) and vibrates the liquid tank. That is, the vibration diffuses more easily than the portion holding the diaphragm and escapes to the liquid tank, and as a result, the amplitude of the diaphragm becomes smaller.
  • the diaphragm is vibrated while holding the end of the diaphragm, it will vibrate in the vibration mode that bends the diaphragm, and bubbles will be generated only near the center of the diaphragm where the vibration width becomes large. Become.
  • an object of the present disclosure is to provide a bubble generator that efficiently generates uniform bubbles in the plane of the diaphragm, and a bubble generation system using the bubble generator.
  • the bubble generator according to one embodiment of the present disclosure is a bubble generator that is attached to a liquid tank and generates fine bubbles in the liquid of the liquid tank by vibration, in which a plurality of openings are formed and one surface thereof is formed.
  • a vibrating plate that is in contact with a liquid and the other surface is in contact with a gas
  • a first tubular body that holds the vibrating plate at one end
  • a plate-shaped spring portion that supports the other end of the first tubular body.
  • a second tubular body that supports the position of the spring portion outside the position that supports the first tubular body at one end, and a second tubular body that is provided at the other end of the second tubular body. It is equipped with a piezoelectric element that vibrates.
  • the bubble generation system includes the above-mentioned bubble generation device and a liquid tank.
  • 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 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 diaphragm 2 may be formed of a glass plate that transmits ultraviolet light and deep ultraviolet light having a wavelength of 200 nm to 380 nm.
  • a light source that emits ultraviolet light to the liquid in the liquid tank 10 from the other surface side of the vibrating plate 2 is provided, and sterilization by ozone generation and ultraviolet light irradiation are provided. Can also be used for sterilization by.
  • 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 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 on 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, a glass plate, 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.
  • the space for introducing the gas and the liquid are formed.
  • the electrical wiring and the like of the piezoelectric element 4 can be prevented from being soaked.
  • FIG. 4 is a plan view of the diaphragm 2 according to the present embodiment.
  • a plurality of pores 2b are formed in a region of 5 mm ⁇ 5 mm provided in the central portion of a glass plate 2a having a diameter of 14 mm.
  • the diaphragm 2 can form 441 pores 2b in a region of 5 mm ⁇ 5 mm, for example, when the pore diameter of the pores 2b is 10 ⁇ m and the distance between the pores 2b is 0.25 mm.
  • the pore diameter of the pores 2b and the spacing between the pores 2b are different from the actual scale.
  • the pores 2b provided in the diaphragm 2 have a pore diameter of 0.05 ⁇ m to 20 ⁇ m on the surface in contact with the liquid.
  • 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. Since a plurality of pores 2b are formed at intervals of 10 times or more the pore diameter, it is possible to prevent the fine bubbles 200 generated from one pore 2b from being connected to the fine bubbles 200 generated from the adjacent pores 2b. The performance of generating independent fine bubbles 200 is improved.
  • a method for forming a plurality of pores 2b in the glass plate 2a for example, there is a method in which a laser and liquid phase etting are combined. Specifically, in this method, by irradiating the glass plate 2a with a laser, the glass plate 2a is subjected to composition modification by laser energy, and the portion is eroded by a liquid fluoride-based ettting material or the like to cause a plurality of. It forms pores 2b.
  • 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 bubble generator 1 and the liquid tank 10 are coupled, and the piezoelectric element 4 is connected.
  • the vibration is transmitted to the diaphragm 2 without substantially transmitting the vibration to the liquid tank 10.
  • 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.
  • 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, a first tubular body 31, a spring portion 32, a second tubular body 33, and a piezoelectric element 4.
  • a plurality of pores 2b 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 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.
  • the resonance frequency of any vibration mode that bends the diaphragm 2 is set to be higher than the resonance frequency of the spring portion 32.
  • the bubble generator 1 can vibrate the diaphragm 2 only in the spring vibration mode.
  • the second cylindrical body 33 has a plate-shaped brim portion 34 extending outward at the other end, and the piezoelectric element 4 is provided on the upper surface or the lower surface of the brim portion 34.
  • the bubble generator 1 can prevent the piezoelectric element 4 from being immersed in the liquid.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the bubble generator 1A according to the first modification of the present embodiment.
  • the reference position of the bubble generator 1A before starting the vibration is shown by a broken line
  • the position of the bubble generator 1A after the displacement is shown by a solid line.
  • the same components as those of the bubble generator 1 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the bubble generator 1A differs from the bubble generator 1 in that the brim portion 34A extends toward the inside of the bubble generator 1A.
  • the brim portion 34A is provided at the other end of the second tubular body 33 (the second tubular body 33 supports the spring portion 32 at one end), and the brim portion 34A is provided in the penetrating direction of the second tubular body 33 (the second tubular body 33 supports the spring portion 32). It vibrates in the vertical direction in the figure).
  • a hollow circular piezoelectric element 4 is provided on the lower surface of the brim portion 34A.
  • the brim portion 34A has a hollow circular shape, is provided on the bottom surface side of the second tubular body 33, and extends inward from the provided position. When the piezoelectric element 4 vibrates in the penetrating direction of the second tubular body 33, the brim portion 34A vibrates in the penetrating direction of the second tubular body 33.
  • the piezoelectric element 4 vibrates in the penetrating direction of the second tubular body 33 based on the drive signal from the controller 20 (see FIG. 1) and the brim portion 34A is displaced downward, the first tubular body 31 is supported.
  • the position of the spring portion 32 is raised 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 also displaced upward.
  • the side surface of the second tubular body 33 is not displaced by the vibration of the piezoelectric element 4.
  • the brim portion 34A when the brim portion 34A is displaced upward, the position of the spring portion 32 supporting the first tubular body 31 sinks downward. As the position of the spring portion 32 supporting the first tubular body 31 sinks downward, the entire first tubular body 31 is displaced downward, and as a result, it is held by the first tubular body 31. The entire diaphragm 2 is also displaced downward. At this time, the side surface of the second tubular body 33 is not displaced by the vibration of the piezoelectric element 4.
  • the bubble generator 1A can vibrate the diaphragm 2 in the spring vibration mode in the same manner as the bubble generator 1, so that the bubble generator 1A has the same effect as the bubble generator 1.
  • a plurality of rectangular piezoelectric elements 4 may be provided concentrically on the lower surface of the brim portion 34A. Further, the hollow circular piezoelectric element 4 may be provided on the upper surface of the brim portion 34A. Further, a plurality of rectangular piezoelectric elements 4 may be provided concentrically on the upper surface of the brim portion 34A.
  • the piezoelectric element 4 may be fitted to the shape of the brim portion 34A, and the piezoelectric element 4 and the brim portion 34A may be integrally formed. With the bubble generator 1A configured in this way, it is possible to reduce the size of the device, particularly in the width direction.
  • FIG. 8 is a perspective view of the bubble generator 1B according to the second modification of the present embodiment.
  • the bubble generator 1B includes a diaphragm 2, a first tubular body 31, a spring portion 32B, a second tubular body 33B, and a piezoelectric element 4B.
  • the same components as those of the bubble generator 1 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the spring portion 32B supports the bottom surface of the cylindrical first tubular body 31 and extends outward from the supported position.
  • the spring portion 32B is extended so as to surround the circumference of the first tubular body 31 in a rectangular shape.
  • the spring portion 32B is supported by the second tubular body 33B at a position outside the position for supporting the first tubular body 31.
  • the second tubular body 33B has a square tubular shape.
  • a rectangular piezoelectric element 4B is arranged on each of the four side surfaces of the second tubular body 33B.
  • the piezoelectric element 4B is a vibrating body that vibrates in a direction (in the figure, left-right direction, or front-back direction) perpendicular to the penetrating direction (up-down direction in the figure) of the second tubular body 33B.
  • the piezoelectric element 4B may be disposed not on the four side surfaces of the second cylindrical body 33B but on the two opposing surfaces.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the bubble generator 1B according to the second modification of the present embodiment.
  • FIG. 9 describes a case where the bubble generator 1B resonates in a vibration mode (spring vibration mode) in which the first tubular body 31 is displaced up and down substantially uniformly by the vibration of the piezoelectric element 4B.
  • the reference position of the bubble generator 1B before the start of vibration is shown by a broken line
  • the position of the bubble generator 1B after the displacement is shown by a solid line.
  • the piezoelectric elements 4B provided on the opposite side surfaces are vibrated inward or outward with each other.
  • the second tubular body 33B is displaced outward by vibrating the piezoelectric element 4B, and the position of the spring portion 32B supporting the first tubular body 31 sinks downward.
  • the position of the spring portion 32B sinks downward, the entire first tubular body 31 is displaced downward, and the diaphragm 2 held by the first tubular body 31 also downwards as a whole. Displace.
  • the second tubular body 33B is displaced inward, and the position of the spring portion 32B supporting the first tubular body 31 rises upward.
  • the entire first tubular body 31 is displaced upward, and the diaphragm 2 held by the first tubular body 31 is also displaced upward as a whole. do. Therefore, the entire diaphragm 2 is uniformly displaced in the vertical direction without substantially deforming the diaphragm 2 itself due to the vibration of the piezoelectric element 4B.
  • the bubble generator 1B configured in this way, it is possible to reduce the size and cost of the device in the width direction and the thickness direction of the device.
  • 1,1A, 1B bubble generator 2 diaphragm, 2a glass plate, 2b pore, 3 tubular body, 31 1st tubular body, 32 spring part, 33 2nd tubular body, 34 brim part, 4, 4B piezoelectric element, 10 liquid tank, 20 controller, 100 water purification device, 200 air bubbles.

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Abstract

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（１）を示す。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、複数の細孔が形成され、一方の面が液体と接し、他方の面が気体と接する。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。

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、細孔を形成した振動板の一方の面は、常に水などの液体にさらされているが、他方の面は、気泡を発生させるための気体を導入する空間を設ける必要がある。
特開２０１６－２０９８２５号公報
　特許文献１に記載の気泡発生装置では、振動板で液体と気体とを分離するために、同心円状のシリコンゴム等のゴム弾性体で振動板を保持している。ゴム弾性体で振動板を保持している場合、気泡を発生させるために振動板を振動させると、ゴム弾性体で振動板の振動を一部吸収する。逆に、弾性体のない固い遮蔽物で液体と気体との分離を行いつつ、振動板を保持する場合、気泡を発生させるために振動板を振動させると、振動板の振動が遮蔽物から液体槽（例えば、水槽）に漏れ当該液体槽を振動させる。つまり、振動板を保持する部分より容易に振動が拡散して当該液体槽に逃げ、結果として振動板の振幅が小さくなる。
　また、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近傍のみで気泡を発生させることになる。
　そこで、本開示の目的は、振動板の面内で均一な気泡を効率よく発生させる気泡発生装置、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、一方の端で振動板を保持する第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の外側にあるバネ部の位置を一方の端で支持する第２筒状体と、第２筒状体の他方の端に設けられ、第２筒状体を振動させる圧電素子と、を備える。
　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、板状のバネ部で支持する第１筒状体を振動させることで、振動板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。
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平面図である。 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１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。 本実施の形態の変形例１に係る気泡発生装置の断面図である。 本実施の形態の変形例２に係る気泡発生装置の斜視図である。 本実施の形態の変形例２に係る気泡発生装置の断面図である。
　（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、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。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の構造を例えばガラス板とし、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。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。
　振動板２には、複数の細孔が形成されている。図４は、本実施の形態に係る振動板２の平面図である。図４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４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０．０５μｍ～２０μｍである。振動板２を振動させて当該細孔２ｂ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。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して独立した微細な気泡２００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。
　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の振動を実質的に液体槽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。
　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、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、複数の細孔２ｂ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。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。
　また、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、バネ部３２の共振周波数より高くなるように構成されることが好ましい。これにより、気泡発生装置１は、振動板２をバネ振動モードのみで振動させることができる。
　さらに、第２筒状体３３は、他方の端に外側に伸びる板状のつば部３４を有し、圧電素子４は、つば部３４の上面または下面に設けられることが好ましい。これにより、気泡発生装置１は、圧電素子４が液体に浸かることを防止できる。
　（変形例）
　図を参照して、実施の形態の変形例について以下説明する。図７は、本実施の形態の変形例１に係る気泡発生装置１Ａの断面図である。図７では、振動を開始する前の気泡発生装置１Ａの基準位置を破線で示し、変位後の気泡発生装置１Ａの位置を実線で示す。なお、気泡発生装置１と同様の構成については同じ符号を付して、その説明は繰り返さない。気泡発生装置１Ａは、つば部３４Ａが気泡発生装置１Ａの内側に向かって延伸している点で気泡発生装置１と異なる。
　つば部３４Ａは、第２筒状体３３の他方の端（第２筒状体３３は一方の端でバネ部３２を支持している）に設けられ、第２筒状体３３の貫通方向（図中、上下方向）に振動する。つば部３４Ａには、中空円状の圧電素子４が下面に設けられている。つば部３４Ａは、中空円状であり、第２筒状体３３の底面側に設けられ、設けられた位置から内側に向かって延伸している。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３４Ａが第２筒状体３３の貫通方向に振動する。
　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３４Ａが下方に変位すると、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の全体も上方に変位する。このとき、第２筒状体３３の側面は、圧電素子４の振動によっても変位しない。
　図示していないが、つば部３４Ａが上方に変位すると、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の全体も下方に変位する。このとき、第２筒状体３３の側面は、圧電素子４の振動によっても変位しない。
　このように、気泡発生装置１Ａは、気泡発生装置１と同様に振動板２をバネ振動モードで振動させることができるので、気泡発生装置１と同様の効果を奏する。なお、気泡発生装置１Ａにおいて、つば部３４Ａ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３４Ａの上面に設けてもよい。また、つば部３４Ａ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。また、圧電素子４をつば部３４Ａの形状に合わせ、圧電素子４とつば部３４Ａとを一体的に形成してもよい。気泡発生装置１Ａでは、このように構成することで、装置の小型化、特に幅方向におけるコンパクト化を図ることができる。
　次に、図８は、本実施の形態の変形例２に係る気泡発生装置１Ｂの斜視図である。気泡発生装置１Ｂは、振動板２、第１筒状体３１、バネ部３２Ｂ、第２筒状体３３Ｂ、および圧電素子４Ｂを含んでいる。なお、気泡発生装置１と同様の構成については同じ符号を付して、その説明は繰り返さない。
　バネ部３２Ｂは、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３２Ｂは、第１筒状体３１の周囲を矩形状に囲むように延伸している。
　バネ部３２Ｂ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３３Ｂにより支持されている。第２筒状体３３Ｂは、角筒状の形態である。第２筒状体３３Ｂの４側面の各々には、矩形状の圧電素子４Ｂが配設されている。圧電素子４Ｂは、第２筒状体３３Ｂの貫通方向（図中、上下方向）に対して垂直な方向（図中、左右方向、または前後方向）に振動する振動体である。圧電素子４Ｂは、第２筒状体３３Ｂの４側面に配設されているのではなく対向する２面にのみ配設されるようにしてもよい。
　図９は、本実施の形態の変形例２に係る気泡発生装置１Ｂの断面図である。図９では、気泡発生装置１Ｂが圧電素子４Ｂの振動により第１筒状体３１を略均一に上下に変位させる振動モード（バネ振動モード）で共振する場合について説明する。図９では、振動を開始する前の気泡発生装置１Ｂの基準位置を破線で示し、変位後の気泡発生装置１Ｂの位置を実線で示す。
　気泡発生装置１Ｂでは、対向する側面に設けた圧電素子４Ｂを互いに内側方向または外側方向に振動させる。気泡発生装置１Ｂは、圧電素子４Ｂを振動させることで第２筒状体３３Ｂが外側方向に変位し、第１筒状体３１を支持しているバネ部３２Ｂの位置が下側に沈み込む。バネ部３２Ｂ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ことになり、第１筒状体３１に保持されている振動板２も全体に下方に変位する。
　図示していないが、圧電素子４Ｂを振動させることで、第２筒状体３３Ｂが内側方向に変位し、第１筒状体３１を支持しているバネ部３２Ｂの位置が上側にせり上がる。バネ部３２Ｂ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ことになり、第１筒状体３１に保持されている振動板２も全体に上方に変位する。そのため、振動板２は、圧電素子４Ｂの振動により振動板２自体がほぼ変形することなく全体が均一に上下方向に変位する。気泡発生装置１Ｂでは、このように構成することで、装置の幅方向および厚み方向におけるコンパクト化、低コスト化を図ることができる。
　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，１Ｂ　気泡発生装置、２　振動板、２ａ　ガラス板、２ｂ　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、４，４Ｂ　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 (8)

  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、
    　一方の端で前記振動板を保持する第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の外側にある前記バネ部の位置を一方の端で支持する第２筒状体と、
    　前記第２筒状体の他方の端に設けられ、前記第２筒状体を振動させる圧電素子と、を備える、気泡発生装置。
  2. 　前記振動板を屈曲させるいずれの振動モードの共振周波数が、前記バネ部の共振周波数より高くなるように構成された、請求項１に記載の気泡発生装置。
  3. 　前記第２筒状体は、他方の端に外側に伸びる板状のつば部を有し、
    　前記圧電素子は、前記つば部の上面または下面に設けられる、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筒状体は、他方の端に内側に伸びる板状のつば部を有し、
    　前記圧電素子は、前記つば部の上面または下面に設けられる、請求項１または請求項２に記載の気泡発生装置。
  5. 　前記圧電素子を前記第２筒状体の側面に複数配設し、前記第２筒状体の貫通方向に対して垂直な方向に振動させる、請求項１または請求項２に記載の気泡発生装置。
  6. 　複数の前記圧電素子を配設する前記第２筒状体の側面は、前記第１筒状体を貫通方向から見て矩形状である、請求項５に記載の気泡発生装置。
  7. 　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と、
    　液体槽と、を備える、気泡発生システム。
  8. 　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７に記載の気泡発生システム。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023228588A1 (ja) * 2022-05-25 2023-11-30 株式会社村田製作所 気泡発生装置、および気泡発生システム
WO2023228589A1 (ja) * 2022-05-25 2023-11-30 株式会社村田製作所 気泡発生装置、および気泡発生システム
WO2023233701A1 (ja) * 2022-05-30 2023-12-07 株式会社村田製作所 気泡発生装置、および気泡発生システム
WO2023233700A1 (ja) * 2022-05-30 2023-12-07 株式会社村田製作所 気泡発生装置、および気泡発生システム

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006087984A (ja) * 2004-09-21 2006-04-06 Ngk Insulators Ltd 気泡噴射装置
JP2016209825A (ja) 2015-05-11 2016-12-15 国立大学法人群馬大学 気体の微細化装置
WO2018100795A1 (ja) * 2016-11-30 2018-06-07 株式会社村田製作所 振動装置、カメラ用水滴除去装置及びカメラ
WO2018207395A1 (ja) * 2017-05-12 2018-11-15 株式会社村田製作所 振動装置
JP6819844B1 (ja) * 2019-11-22 2021-01-27 株式会社村田製作所 振動装置、および振動装置を備える撮像ユニット
JP6819845B1 (ja) * 2019-11-22 2021-01-27 株式会社村田製作所 振動装置、および振動装置を備える撮像ユニット

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3499279B2 (ja) * 1994-02-22 2004-02-23 倉敷化工株式会社 制御式防振装置
JP2007237015A (ja) * 2006-03-06 2007-09-20 Ebara Corp 気泡散気装置
WO2010089822A1 (ja) * 2009-02-09 2010-08-12 株式会社村田製作所 霧化部材及びそれを備える霧化器
JP5423813B2 (ja) * 2010-01-12 2014-02-19 株式会社村田製作所 霧化器
CN113453792B (zh) 2019-03-19 2023-06-02 株式会社村田制作所 气泡产生装置
JPWO2020189271A1 (ja) 2019-03-19 2021-10-28 株式会社村田製作所 気泡発生装置
WO2021100228A1 (ja) 2019-11-22 2021-05-27 株式会社村田製作所 振動装置、および振動装置を備える撮像ユニット

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006087984A (ja) * 2004-09-21 2006-04-06 Ngk Insulators Ltd 気泡噴射装置
JP2016209825A (ja) 2015-05-11 2016-12-15 国立大学法人群馬大学 気体の微細化装置
WO2018100795A1 (ja) * 2016-11-30 2018-06-07 株式会社村田製作所 振動装置、カメラ用水滴除去装置及びカメラ
WO2018207395A1 (ja) * 2017-05-12 2018-11-15 株式会社村田製作所 振動装置
JP6819844B1 (ja) * 2019-11-22 2021-01-27 株式会社村田製作所 振動装置、および振動装置を備える撮像ユニット
JP6819845B1 (ja) * 2019-11-22 2021-01-27 株式会社村田製作所 振動装置、および振動装置を備える撮像ユニット

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4108322A4

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023228588A1 (ja) * 2022-05-25 2023-11-30 株式会社村田製作所 気泡発生装置、および気泡発生システム
WO2023228589A1 (ja) * 2022-05-25 2023-11-30 株式会社村田製作所 気泡発生装置、および気泡発生システム
WO2023233701A1 (ja) * 2022-05-30 2023-12-07 株式会社村田製作所 気泡発生装置、および気泡発生システム
WO2023233700A1 (ja) * 2022-05-30 2023-12-07 株式会社村田製作所 気泡発生装置、および気泡発生システム

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