弾性表面波を用いる微細気泡の発生方法および微細気泡発生装置
【課題】微細気泡の発生方法および微細気泡発生装置において、簡単かつ小型の機器構成で、液体の物性による制約が少なく広範囲の種類の液体に適用可能とし、微細気泡を安定的に発生可能とする。
【解決手段】本方法は、弾性表面波Ｗを励振するための複数の櫛歯状の電極２１を表面Ｓに備えた圧電基板２を液体１０中に配置し、電極２１によって表面Ｓに弾性表面波Ｗを励振し、液体１０中で表面Ｓを伝播する弾性表面波Ｗによって液体１０中に微細気泡Ｂを発生させる。液体１０中の圧電基板２の表面Ｓを伝播する弾性表面波Ｗによって微細気泡Ｂを発生させるので、旋回流を起して剪断力を発生させるために用いる高圧ポンプなどの機械的な動作を行う機器が不要であり、簡単かつ小型の機器構成で微細気泡を安定的に発生させることができる。
【解決手段】本方法は、弾性表面波Ｗを励振するための複数の櫛歯状の電極２１を表面Ｓに備えた圧電基板２を液体１０中に配置し、電極２１によって表面Ｓに弾性表面波Ｗを励振し、液体１０中で表面Ｓを伝播する弾性表面波Ｗによって液体１０中に微細気泡Ｂを発生させる。液体１０中の圧電基板２の表面Ｓを伝播する弾性表面波Ｗによって微細気泡Ｂを発生させるので、旋回流を起して剪断力を発生させるために用いる高圧ポンプなどの機械的な動作を行う機器が不要であり、簡単かつ小型の機器構成で微細気泡を安定的に発生させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロメートルまたはナノメートルオーダの微細気泡を発生する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気泡の直径がミクロン以下のナノメートルオーダという微細な気泡を発生させるために、気液混合流体に旋回流を起こし、液中に生じる剪断力によって液体に含まれる気体を細分化することが行われている。例えば、渦流ポンプからの気液混合流体を、円筒にその内周接線方向から供給し、円筒内での旋回中に気泡を微細化させる装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、液体を電気分解してガス化しつつ、液体に超音波を印加することにより、そのガスから直径がナノメートルオーダの気泡を生成する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１１８９３９号
【特許文献２】特許第４０１６０９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１に示されるような微細気泡の発生方法においては、液体を高圧化するためのポンプなどが必要であり機器の小型化が困難である。また、上述した特許文献２に示されるような微細気泡の発生方法においては、液体の電気分解に基づくので、電気分解処理の可能性の有無によって対象とする液体や気泡の種類が限定されるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単かつ小型の機器構成で、液体の物性による制約が少なく広範囲の種類の液体に適用でき、液体中に安定的に微細気泡を発生させることができる微細気泡の発生方法および微細気泡発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するために、請求項１の発明は、弾性表面波を励振するための複数の電極からなる励振手段を表面に備えた圧電基板を液体中に配置し、前記励振手段によって前記表面に弾性表面波を励振し、液体中で前記表面を伝播する弾性表面波によって液体中に微細気泡を発生させるものである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の微細気泡の発生方法において、前記表面は、少なくとも前記励振手段を覆うように絶縁体によって覆われているものである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の微細気泡の発生方法において、前記圧電基板の板厚は、前記励振手段による弾性表面波が前記表面に対向する裏面を伝播する板厚とされているものである。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１または請求項２に記載の微細気泡の発生方法において、前記励振手段を前記表面と共に該表面に対向する裏面に備え、これら両面に弾性表面波を励振するものである。
【００１０】
請求項５の発明は、請求項４に記載の微細気泡の発生方法において、前記両面における弾性表面波は互いの位相が同相となるように励振するものである。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法において、弾性表面波によって発生させた微細気泡を衝撃波によって圧壊させることにより、さらに微細な気泡とするものである。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法において、前記圧電基板における微細気泡が発生する領域がその周辺に対して正電位とされているものである。
【００１３】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法において、前記圧電基板における微細気泡が発生する領域がその周辺に対して負電位とされているものである。
【００１４】
請求項９の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法において、前記微細気泡を発生させる液体中に気体を供給することにより該気体を溶存させておくものである。
【００１５】
請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法において、液体が平面視で円形状の液体容器に入れられているものである。
【００１６】
請求項１１の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法において、管状の構造材の内部を流れる液体中で微細気泡を発生させるものである。
【００１７】
請求項１２の発明は、請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法において、液体を収容する液体容器の内壁面に前記圧電基板と前記励振手段を備えているものである。
【００１８】
請求項１３の発明は、液体中で弾性表面波を用いて微細気泡を発生させる微細気泡発生装置において、弾性表面波を励振するための複数の電極からなる励振手段を表面に備えた圧電基板と、前記圧電基板を液体中に保持する基板保持部と、を備え、前記励振手段に高周波電圧を印加することにより励振されて前記圧電基板に沿って液体中で伝播する弾性表面波によって液体中に微細気泡を発生させるものである。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明によれば、液体中の圧電基板の表面を伝播する弾性表面波によって微細気泡を発生させるので、旋回流を起して剪断力を発生させるために用いる高圧ポンプなどの機器が不要であり、簡単な構成により、小型の機器構成で、微細気泡を発生させることができる。また、ガス化のために液体を電気分解するということもないので、液体の物性による制約が少なく広範囲の種類の液体に適用して微細気泡を安定的に発生させることができる。
【００２０】
請求項２の発明によれば、励振手段を構成する電極が絶縁されるので、導電性の液体であっても、液体中に微細気泡を安定的に発生させることができる。また、電極間が短絡してしまう不測の事態を回避でき、操作性良く容易に微細気泡を発生させることができる。
【００２１】
請求項３の発明によれば、表面と裏面の両面で微細気泡を発生でき、効率良く多くの微細気泡を発生させることができる。
【００２２】
請求項４の発明によれば、圧電基板当たりの入力電力の上限値を高めることにより、より多くの電力を投入できるので、より多くの微細気泡を発生させることができる。
【００２３】
請求項５の発明によれば、圧電基板における電界分布が表面と裏面とで互いに対称となり、電圧振動による基板の圧縮と伸長が表裏で協調して行われるので、励振手段に投入する電力を効率的に電気機械変換して機械的エネルギとし、弾性表面波を効率的により強く励振でき、より多くの微細気泡を発生させることができる。
【００２４】
請求項６の発明によれば、簡単な構成により、微細気泡をさらに微細な気泡とすることができる。
【００２５】
請求項７の発明によれば、液体中のマイナスイオン（ＯＨ−等）を圧電基板や微細気泡の表面に付着させることにより、その同種電荷間の反発力によって、圧電基板近傍から微細気泡を速やに離脱させることができ、また、各微細気泡を互いに離間せしめて微細気泡間の結合を阻止することができるので、結合太り（合体）による微細気泡の消失を抑制し、微細気泡の状態を安定に維持させ、効率的に微細気泡を発生させることができる。
【００２６】
請求項８の発明によれば、液体中のプラスイオンによって、請求項７の発明と同様の効果が奏される。
【００２７】
請求項９の発明によれば、所望の気体を液体中に溶存させることにより、所望の気体から成る微細気泡を効率的に発生させることができる。
【００２８】
請求項１０の発明によれば、円形状の液体容器の円周方向の液体の流れによって、圧電基板近傍から微細気泡を速やに離脱させ、また、各微細気泡を互いに離間させることができ、微細気泡間の結合を阻止して結合太りによる微細気泡の消失を抑制し、効率的に微細気泡を発生させることができる。なお、圧電基板を、平面視で液体容器の中心から外して配置することにより、円周方向の液体の流れを自然発生させることができる。円周方向の液体の流れが発生している状態では、液体容器の中心部における微細気泡を液体の運動によって圧壊させることができ、微細気泡をさらに微細にすることができる。
【００２９】
請求項１１の発明によれば、液体の流れによって、圧電基板近傍から微細気泡を速やに離脱させ、また、各微細気泡を互いに離間させることができるので、微細気泡間の結合を阻止して結合太りによる微細気泡の消失を抑制し、効率的に微細気泡を発生させることができる。また、液中の気泡数の密度が均一となる液体の流れを発生させることができる。このような微細気泡を含む液体流を、管状の構造材によって所望の場所まで導き、洗浄等の処理に使用することができる。
【００３０】
請求項１２の発明によれば、小型の機器構成で、微細気泡を発生させることができる。また、液体を流す管状の構造材によって液体を流しながら均一かつ大量の微細気泡を安定的に発生させることができる。
【００３１】
請求項１３の発明によれば、液体中に圧電基板を備えればよいので、簡単で小型の機器構成の微細気泡発生装置を提供することができる。また、ガス化のために液体を電気分解するということもないので、液体の物性による制約が少なく広範囲の種類の液体に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す微細気泡発生装置の断面図。
【図２】同装置の斜視図。
【図３】同方法の手順を示すフローチャート。
【図４】同方法の変形例を示す装置断面図。
【図５】同方法の他の変形例を示す装置断面図。
【図６】同方法の更に他の変形例を示す装置断面図。
【図７】同方法の更に他の変形例を示す装置断面図。
【図８】同方法の更に他の変形例を示す装置断面図。
【図９】第２の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す装置断面図。
【図１０】第３の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す装置断面図。
【図１１】同方法の変形例を示す装置断面図。
【図１２】第４の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す装置斜視図。
【図１３】同装置の平面図。
【図１４】（ａ）は同装置の変形例を示す平面図、（ｂ）は同装置の他の変形例を示す平面図。
【図１５】（ａ）は第５の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す装置斜視図、（ｂ）は同装置の断面図。
【図１６】（ａ）は第６の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す装置斜視図、（ｂ）は同装置の断面図。
【図１７】第４の実施形態の変形例を示す装置斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態に係る弾性表面波を用いる微細気泡の発生方法および微細気泡発生装置について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１、図２、図３は第１の実施形態について示す。図１、図２に示すように、微細気泡発生装置１は、弾性表面波Ｗを励振するための励振手段として複数の櫛歯状の電極２１を表面Ｓに備えた圧電基板２を液体１０中に配置した装置であり、電極２１によって表面Ｓに弾性表面波Ｗを励振し、液体１０中で表面Ｓを伝播する弾性表面波Ｗによって液体１０中に微細気泡Ｂを発生させる。液体１０は液体容器１１に入れられている。以下、各構成を詳細説明する。
【００３４】
圧電基板２は、長方形の板材であって、その長手方向が上下方向となるように基板保持部２０によって液体１０中に垂直に保持されている。圧電基板２は、例えば、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）のような圧電体そのものからなる基板である。また、圧電基板２は、非圧電基板の表面に圧電薄膜、例えば、ＰＺＴ薄膜（鉛、ジルコニューム、チタン合金薄膜）を形成したものでもよく、その表面の圧電体薄膜の表面部分において、弾性表面波Ｗが励振される。従って、圧電基板２は、弾性表面波Ｗが励振される圧電体部分を表面に備えた基板であればよい。また、微細気泡発生装置１の圧電基板２として、その形状は、長方形に限らず、任意の形状とすることができる。また、表面Ｓは平面とは限らず任意の曲面とすることができる。圧電基板２は、一定厚みを有する板状とは限らず、任意形状であって、弾性表面波Ｗを伝播させる表面Ｓを備えるものであればよい。
【００３５】
櫛歯状の電極２１は、圧電基板２の表面Ｓに互いに異極となる２つの櫛形の電極を互いに噛み合わせて形成した電極（交差指電極、ＩＤＴ：インター・ディジタル・トランスジューサ）である。電極２１の互いに隣り合う櫛の歯は互いに異なる極性の電極に属し、励振する弾性表面波Ｗの波長の半分の長さのピッチで配列されている。電極２１の互いに異極の電極間に高周波電圧印加用の電気回路Ｅから高周波（例えば、ＭＨｚ帯）電圧を印加することにより、櫛形電極によって電気的エネルギが波の機械的エネルギに電気機械変換されて、圧電基板２の表面Ｓに弾性表面波Ｗが励振される。励振された弾性表面波Ｗの振幅は、電極２１に印加する電圧の大きさで決まる。励振された弾性表面波Ｗの波束の長さは、電圧の印加時間の長さに対応する。電極２１によって励振された弾性表面波Ｗは、一対の櫛形電極の歯が交差した幅に対応する幅の波となって、櫛の歯に垂直な方向ｘに伝播する。このような弾性表面波Ｗは、表面Ｓに存在する液体に対して、弾性表面波Ｗの伝播方向に移動させるような力を及ぼす性質がある。また、櫛形電極は、方向ｘの正負両方向に伝播する弾性表面波を生成するので、負方向に向かう弾性表面波を全反射させて有効利用する反射器を表面Ｓに備えてもよい。また振動の効率化と安定化のため定在波を発生させる目的で、圧電基板２の両面に共振および反射用の電極を設けてもよい。
【００３６】
固体表面を伝播する弾性表面波Ｗは、超音波、例えば、ピエゾ素子等を用いて発生して固体や流体中を３次元的に伝播する超音波に比べて、容易に安定的に高い周波数の波動として励振することができる。この周波数が高く波長が短い弾性表面波Ｗを液体中に伝播させることにより、直径がミクロンオーダやサブミクロンからナノメータオーダの微細な気泡をその液体中に発生させることができる。微細気泡Ｂは、液体１０中に溶存している気体から生成されると考えられる。そこで、液体中に微細気泡となるべき気体を予め過飽和に溶存させておき、その気体の微細気泡を発生させ易くしてもよい。例えば、図１に示すように、任意の気体を液体１０中に供給するための気体導入管１２を備え、気体導入管１２によって導入した気体を液体１０中に溶存させておく。すると、気体導入管１２によって導入した気体を含む微細気泡Ｂを発生させることができる。導入する気体として、酸素やオゾンなど微細気泡化によって高機能を発揮するような単体ガスや、大気中の空気などを用いることができる。さらに、気体の溶存可能量を増やすために、保冷装置を備えて液体１０を冷して、液体１０の温度を低く維持するようにしてもよい。
【００３７】
液体１０は、水道水や純水などの水、さらに、アルコール等の有機溶剤、その他の任意の液体を用いることができる。ただし、電極２１に絶縁保護を施していない場合には、液体１０は電気絶縁性の液体に限られる。そこで、電極２１の電気絶縁や圧電基板２の腐食防止のため、圧電基板２表面に絶縁層や保護層を設けてもよい。これらは弾性表面波Ｗの伝播損失を起こさないようにすることが望ましい。
【００３８】
図３に示すように、単純な手順で微細気泡を発生させることができる。すなわち、圧電基板２を液体１０中に配置して弾性表面波Ｗを励振し（＃１）、液体中において弾性表面波Ｗを圧電基板２の表面Ｓに沿って伝播させる（＃２）。すると、液体１０中で伝播する弾性表面波Ｗによって、液体１０中に微細気泡が発生する（＃３）。以下、微細気泡を発生させる間、上記ステップ（＃１〜＃３）を繰り返せばよい。
【００３９】
本実施形態によれば、液体１０中の圧電基板２の表面Ｓを伝播する弾性表面波Ｗによって微細気泡Ｂを発生させるので、旋回流を起して剪断力を発生させるために用いる高圧ポンプなどの機器が不要であり、簡単な構成により、小型の機器構成で微細気泡Ｂを発生させることができる。また、ガス化のために液体を電気分解するということもないので、液体１０に対する物性上の制約が少なく、広範囲の種類の液体に適用して微細気泡を安定的に発生させることができる。また、所望の気体を液体１０中に溶存させることにより、所望の気体から成る微細気泡Ｂを効率的に発生させることができる。
【００４０】
（第１の実施形態の変形例）
図４乃至図８は第１の実施形態の変形例を示す。図４に示すように、圧電基板２は、液体１０中において、水平に設置することもできる。電極２１は、圧電基板２の表面Ｓにおける中央に配置され、電極２１から両側に伝播する弾性表面波Ｗによって微細気泡Ｂが発生される。なお、基板２の配置姿勢は、垂直（鉛直のこと）や水平に限られず、一般に任意の向きとすることができる。
【００４１】
また、図５に示すように、圧電基板２は、その表面Ｓが、少なくとも電極２１を覆うように絶縁体２ａによって覆われているものとすることができる。絶縁体２ａは、表面Ｓの全面を覆う必要はない。絶縁体２ａは、硬い材料、つまり、弾性表面波Ｗが吸収されないような材料で構成される。このような絶縁体２ａは、圧電基板２と同等の圧電材料、例えばＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）の薄板や、他の絶縁材料、例えばシリコン基板の薄板などを、表面Ｓに接合して表面Ｓに設けられる。また、薄板を接合する替わりに、表面Ｓ上にＰＺＴ等の圧電薄膜を形成して、絶縁体２ａとすることができる。絶縁体２ａの厚みが薄い場合には、その外表面を弾性表面波Ｗが伝播する。厚い場合には、下地の表面Ｓに沿って弾性表面波Ｗが伝播し、絶縁体２ａが途切れて表面Ｓが露出した所、または、基板の端面における表面Ｓと絶縁体２ａの界面が露出したところ（露頭）で、微細気泡Ｂが発生する。
【００４２】
この変形例によれば、励振手段を構成する電極２１が絶縁されるので、導電性の液体であっても、液体中に微細気泡を安定的に発生させることができる。また、絶縁体２ａを備えているので、電極間が短絡してしまうという不測の事態を回避でき、操作性良く容易に微細気泡を発生させることができる。
【００４３】
また、図６に示すように、圧電基板２の板厚は、電極２１による弾性表面波Ｗが表面Ｓを伝播すると共に、表面Ｓに対向する裏面Ｓｒを弾性表面波Ｗｒが伝播するように薄い板厚とすることができる。圧電基板２の厚みは、例えば、弾性表面波Ｗの波長の１／４よりも薄くすればよい。圧電基板２として、ＰＺＴ等の圧電薄膜を用いることができる。このような薄い圧電基板２は、その周辺を額縁のように保持する周辺補強部を備えることにより、安定使用が可能な微細気泡発生装置１とすることができる。このようなダイヤフラム構造に形成した圧電基板は、シリコン基板などのエッチング技術などを用いて形成することができる。この変形例によれば、表面Ｓと裏面Ｓｒの両面で微細気泡Ｂを発生でき、効率良く多くの微細気泡Ｂを発生させることができる。
【００４４】
また、図７に示すように、圧電基板２は、励振手段としての電極２１を表面Ｓと共に表面Ｓに対向する裏面Ｓｒに備え、これら両面Ｓ，Ｓｒに弾性表面波Ｗ，Ｗｒを励振するものとすることができる。この変形例は、図６に示したものとは異なり、圧電基板２の厚みを薄くする必要はなく、任意の厚みとすることができる。また、圧電基板２の両面の同極性の電極２１を、圧電基板２を貫通するスルーホールによって接続することにより、高周波電圧印加用の電気回路Ｅとの接続配線を片面に集約することができる。このような変形例によれば、圧電基板当たりの入力電力の上限値を高めることにより、より多くの電力を投入できるので、入力電力の上限値を増加させて、より多くの微細気泡Ｂを発生させることができる。
【００４５】
また、図８に示すように、圧電基板２の両面Ｓ，Ｓｒにそれぞれ電極２１を設け、両面Ｓ，Ｓｒにおける弾性表面波Ｗ，Ｗｒが互いに同相となるように励振するものとすることができる。この変形例も、図６に示したものとは異なり、圧電基板２の厚みを薄くする必要はなく、薄い方が好適であるが任意の厚みとすることができる。このような変形例によれば、圧電基板２における電界分布が表面Ｓと裏面Ｓｒとで互いに対称となり、電圧振動による圧電基板２の圧縮と伸長が表裏で協調して行われるので、電極２１に投入する電力を効率的に波動の機械エネルギに電気機械変換でき、弾性表面波Ｗ，Ｗｒを効率的に、より強く励振でき、より多くの微細気泡Ｂを発生させることができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
図９は第２の実施形態について示す。本実施形態は、第１の実施形態において、圧電基板２の表面Ｓに対向する位置に衝撃波発生装置１４を備えるものであり、弾性表面波Ｗによって発生させた微細気泡Ｂを、衝撃波発生装置１４から発せられる衝撃波ＳＷによって圧壊させ、微細気泡Ｂをさらに微細な気泡Ｂ１とする。衝撃波発生装置１４は、微細気泡Ｂに対して衝撃波ＳＷを照射できる装置であればよい。例えば、微細気泡Ｂを発生する圧電基板２そのものを衝撃波発生装置１４の衝撃波発信源として兼用して衝撃波ＳＷを発生させ、液体１０中に衝撃波ＳＷを伝播させるようにしてもよい。この場合、衝撃波発信源を別途設置しなくともよくなる。また、この兼用によっては衝撃波ＳＷの十分な強度が得られない場合は、超音波発信器等を用いる衝撃波発生装置１４を別途設けて、両者からの衝撃波を印加するようにしてもよい。本実施形態によれば、旋回流を起こす流体運動発生用の機器などを必要とせず、簡単な構成により、微細気泡Ｂをさらに微細な気泡Ｂ１とすることができる。衝撃波ＳＷの伝播方向は、表面Ｓの正面方向とは限らず、上下左右斜めの任意の方向であって微細気泡Ｂに衝撃波ＳＷを照射できる方向であればよい。また、衝撃波ＳＷを特定焦点位置に集中するように発信面を曲面形成したり、複数の発信面毎に波の位相制御をするようにしてもよい。
【００４７】
（第３の実施形態）
図１０は第３の実施形態について示し、図１１はその変形例を示す。本実施形態は、第１の実施形態において、図１０に示すように、圧電基板２に正電圧を印加するようにしたものである。すなわち、圧電基板２から離間した液体中に対向電極１５を設け、圧電基板２と対向電極１５との間に直流電源Ｖからの電圧を印加して、圧電基板２における微細気泡Ｂが発生する領域を、その周辺に対して正電位となるようにしている。対向電極１５（負電極）に対して、圧電基板２とその周辺に正電圧を印加するための圧電基板２側の正電極（不図示）は、金属等の一様な電位を持つ導電性の材質のものが望ましい。また、弾性表面波Ｗを伝播する圧電基板２の表面Ｓに正電極用の電極パターンを設けてもよい。この場合、部品点数の軽減を図ることができる。また、電極２１を正電極として共用することができる。この場合、液体１０に対して電極２１が常に正電位となるように高周波電圧を印加すればよい。また、液体１０は、例えば水の場合、純水ではなくイオンが多く含まれるような水道水や電解水が望ましい。なお、本実施形態における電極２１は絶縁処理されているものである。
【００４８】
本実施形態によれば、液体１０中のマイナスイオン（例えば、ＯＨ−）を圧電基板２や微細気泡Ｂの表面に付着させることにより、その同種電荷間の反発力によって、圧電基板２近傍から微細気泡Ｂを速やに離脱させることができ、また、各微細気泡Ｂを互いに離間せしめて微細気泡Ｂ間の結合を阻止することができる。従って、微細気泡Ｂの結合太りによる微細気泡Ｂの消失を抑制でき、効率的に微細気泡Ｂを発生させ、微細気泡Ｂの状態を安定に維持させることができる。
【００４９】
また、図１１に示すように、圧電基板２に印加する電位を負電位とすることもできる。この場合、液体１０中プラスイオンによって、上述同様の効果が奏される。圧電基板２を正電位とするか負電位とするかは、液体１０や微細気泡Ｂの特性、微細気泡Ｂの適用分野（利用分野や目的）に応じて選択決定すればよい。
【００５０】
（第４の実施形態）
図１２、図１３は第４の実施形態について示し、図１４はその変形例を示す。本実施形態は、第１の実施形態において、図１２に示すように、液体１０が平面視で円形状の液体容器１１に入れられているものである。液体容器１１は、上面から見た際、その内周壁が真円に近い形状が望ましいが、楕円や矩形にＣ面処理、Ｒ面処理を施したような角のない回転流を発生し易い形状でもよい。圧電基板２は、このような液体容器１１の中心から偏心した位置に配置されている。また、その表面Ｓは、液体容器１１の直径方向に平行されており、微細気泡Ｂの発生方向（表面Ｓに垂直な方向）が円周方向とされている。このような配置構成のもとで発生された微細気泡Ｂは、液体容器１１の内壁面に沿って移動し、液体容器１１内の液体１０が内壁面に沿った方向の運動量を受けて、液体容器１１内に、円周方向の回転流（一種の対流）が発生する。また、円周方向に液体１０の流れが発生することにより、液体容器１１の中心部における微細気泡Ｂが液体１０の運動によって圧壊してさらに微細な気泡となる。このような構成の微細気泡発生装置１では、例えば、液体容器１１の下部中央から微細気泡Ｂを含む液体１０を、矢印ＯＵＴで示すように導出して、その液体１０を洗浄用途などに用いることができる。また、液体１０の流出を補うために、、矢印ＩＮで示すように液体容器１１の上方から適宜液体補給を行えばよい。なお、このような回転流を促進するために、積極的に、外部のモータによって回転するスターラなどを液体容器１１内に備えたり、圧電基板２そのものを、例えば、微細気泡Ｂが離脱するように液体容器１１の円周方向に沿って回転移動させたりしてもよい。
【００５１】
本実施形態によれば、円形状の液体容器１１の円周方向の液体１０の流れによって、圧電基板２近傍から微細気泡Ｂを速やに離脱させ、また、各微細気泡Ｂを互いに離間させ分散させることができるので、微細気泡Ｂ間の結合を阻止して結合太りによる微細気泡Ｂの消失を抑制し、効率的に微細気泡Ｂを発生させることができる。
【００５２】
図１４（ａ）は、上述の図１３における圧電基板２を平面視で液体容器１１の直径方向から傾けて、液体の回転流に対して邪魔にならない配置としたものである。また、図１４（ｂ）は、図１３における電極２１の配置が表面Ｓ内で９０゜回転されて、液体容器１１の直径方向が弾性表面波の伝播方向とされている。これらの変形例においても、上記同様の効果を奏することができる。
【００５３】
（第５の実施形態）
図１５（ａ）（ｂ）は第５の実施形態について示す。本実施形態は、管状の構造材５の内部を管方向に沿う矢印ｙ方向に流れる液体１０中で微細気泡Ｂを発生させるものである。管状の構造材５の内部に、第１の実施形態における圧電基板２と同様の圧電基板２が配置されている。圧電基板２において発生する微細気泡Ｂは、液体１０の液流によって圧電基板２から順次離脱し、液流と共に流れて行く。ｙ方向の液流は、位置エネルギによって発生するものでもよく、別途ポンプを設けてポンプによって発生するものでもよい。このとき、液体１０中の微細気泡Ｂが、その利用目的に応じて適切な気泡数密度となるように、予め圧電基板２における弾性表面波の励振電力、励振周波数、励振用電極数、伝播面積、圧電基板そのものの数量など、微細気泡Ｂを生成する性能に関わる諸元を設定したり、使用中に変更したりすることができる。また、微細気泡Ｂが適切な粒子数密度となるように、液体１０の流量を調節して変更するようにしてもよい。管状の構造材５は、断面が円形のパイプや四角形のパイプの他に、任意断面のパイプなどを用いることができる。
【００５４】
本実施形態によれば、液体１０の流れによって、圧電基板２近傍から微細気泡Ｂを速やに離脱させ、また、各微細気泡Ｂを互いに離間させることができるので、微細気泡Ｂ間の結合を阻止して結合太りによる微細気泡Ｂの消失を抑制し、効率的に微細気泡Ｂを発生させることができる。また、液体１０中の微細気泡数の密度が均一となるように微細気泡Ｂを発生させることができる。このような微細気泡Ｂを含む液体１０を、管状の構造材５によって所望の場所まで送液し、洗浄等の処理に使用することができる。
【００５５】
（第６の実施形態）
図１６（ａ）（ｂ）は第６の実施形態について示す。本実施形態は、上述の第５の実施形態において、圧電基板２の配置構成を変更したものである。すなわち、圧電基板２および電極２１が、管状の構造材５の内壁面に沿って設けられている。電極２１を備えた圧電基板２は、別途形成したものを構造材５の内壁面に貼り付けてもよく、また、構造材５の内壁面に圧電性の薄膜を成膜し、その上に電極２１を成膜して形成するものでもよい。本図に示した例では、電極２１の各櫛歯の長手方向が管状の構造材５の軸方向に沿って設けられており、弾性表面波は構造材５の円周方向に伝播する。電極２１の配置構成は、この構成に限らず、構造材５の内壁面における任意の向きや構造とすることができる。例えば、電極２１の各櫛歯の長手方向を構造材５の円周方向とすることができ、この場合、弾性表面波は、構造材５の軸方向に沿って伝播する。本実施形態によれば、小型の機器構成で、液体を流しながら均一かつ大量の微細気泡を安定的に発生させることができる。
【００５６】
図１７はは上述の第４の実施形態の変形例を示し、上述の第６の実施形態と同様に圧電基板２と電極２１を液体容器１１の内壁面に設けたものである。本実施形態によれば、すなわち、液体容器１１内に、その内部空間を占拠することなく、微細気泡を発生する構成を備えることができ、小型の機器構成で微細気泡Ｂを発生させることができる。
【００５７】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。弾性表面波を用いる本発明の微細気泡の発生方法および微細気泡発生装置は、特に、気泡の直径がサブミクロンのナノメートルオーダの気泡を発生させるものであり、このような微細気泡を含む液体は、各種の洗浄液、加工や反応促進のための化学反応液、整理作用液などとして好適に用いることができる。例えば、加工後の機械部品、電子回路基板、シリコン基板等の各種半導体基板、食器などの洗浄液として用いることができる。また、圧電基板２は複数組み合わせて用いることができる。また、微細気泡Ｂは、より小さい気泡をより安定に効率よく発生させるために、微細気泡間の結合太りを防止することが有効であり、そのため気泡結合防止手段として、上述のように圧電基板２と液体１０との間に相対流速を発生させたり、気泡を帯電させたりする手段が好適に用いられる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 微細気泡発生装置
２ 圧電基板
２ａ 絶縁体
５ 管状の構造材（液体容器）
１０ 液体
１１ 液体容器
２０ 基板保持部
２１ 電極（励振手段）
Ｂ 微細気泡
Ｓ 表面
Ｓｒ 裏面
ＳＷ 衝撃波
Ｗ，Ｗｒ 弾性表面波
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロメートルまたはナノメートルオーダの微細気泡を発生する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気泡の直径がミクロン以下のナノメートルオーダという微細な気泡を発生させるために、気液混合流体に旋回流を起こし、液中に生じる剪断力によって液体に含まれる気体を細分化することが行われている。例えば、渦流ポンプからの気液混合流体を、円筒にその内周接線方向から供給し、円筒内での旋回中に気泡を微細化させる装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、液体を電気分解してガス化しつつ、液体に超音波を印加することにより、そのガスから直径がナノメートルオーダの気泡を生成する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１１８９３９号
【特許文献２】特許第４０１６０９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１に示されるような微細気泡の発生方法においては、液体を高圧化するためのポンプなどが必要であり機器の小型化が困難である。また、上述した特許文献２に示されるような微細気泡の発生方法においては、液体の電気分解に基づくので、電気分解処理の可能性の有無によって対象とする液体や気泡の種類が限定されるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単かつ小型の機器構成で、液体の物性による制約が少なく広範囲の種類の液体に適用でき、液体中に安定的に微細気泡を発生させることができる微細気泡の発生方法および微細気泡発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を達成するために、請求項１の発明は、弾性表面波を励振するための複数の電極からなる励振手段を表面に備えた圧電基板を液体中に配置し、前記励振手段によって前記表面に弾性表面波を励振し、液体中で前記表面を伝播する弾性表面波によって液体中に微細気泡を発生させるものである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の微細気泡の発生方法において、前記表面は、少なくとも前記励振手段を覆うように絶縁体によって覆われているものである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の微細気泡の発生方法において、前記圧電基板の板厚は、前記励振手段による弾性表面波が前記表面に対向する裏面を伝播する板厚とされているものである。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１または請求項２に記載の微細気泡の発生方法において、前記励振手段を前記表面と共に該表面に対向する裏面に備え、これら両面に弾性表面波を励振するものである。
【００１０】
請求項５の発明は、請求項４に記載の微細気泡の発生方法において、前記両面における弾性表面波は互いの位相が同相となるように励振するものである。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法において、弾性表面波によって発生させた微細気泡を衝撃波によって圧壊させることにより、さらに微細な気泡とするものである。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法において、前記圧電基板における微細気泡が発生する領域がその周辺に対して正電位とされているものである。
【００１３】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法において、前記圧電基板における微細気泡が発生する領域がその周辺に対して負電位とされているものである。
【００１４】
請求項９の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法において、前記微細気泡を発生させる液体中に気体を供給することにより該気体を溶存させておくものである。
【００１５】
請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法において、液体が平面視で円形状の液体容器に入れられているものである。
【００１６】
請求項１１の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法において、管状の構造材の内部を流れる液体中で微細気泡を発生させるものである。
【００１７】
請求項１２の発明は、請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法において、液体を収容する液体容器の内壁面に前記圧電基板と前記励振手段を備えているものである。
【００１８】
請求項１３の発明は、液体中で弾性表面波を用いて微細気泡を発生させる微細気泡発生装置において、弾性表面波を励振するための複数の電極からなる励振手段を表面に備えた圧電基板と、前記圧電基板を液体中に保持する基板保持部と、を備え、前記励振手段に高周波電圧を印加することにより励振されて前記圧電基板に沿って液体中で伝播する弾性表面波によって液体中に微細気泡を発生させるものである。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明によれば、液体中の圧電基板の表面を伝播する弾性表面波によって微細気泡を発生させるので、旋回流を起して剪断力を発生させるために用いる高圧ポンプなどの機器が不要であり、簡単な構成により、小型の機器構成で、微細気泡を発生させることができる。また、ガス化のために液体を電気分解するということもないので、液体の物性による制約が少なく広範囲の種類の液体に適用して微細気泡を安定的に発生させることができる。
【００２０】
請求項２の発明によれば、励振手段を構成する電極が絶縁されるので、導電性の液体であっても、液体中に微細気泡を安定的に発生させることができる。また、電極間が短絡してしまう不測の事態を回避でき、操作性良く容易に微細気泡を発生させることができる。
【００２１】
請求項３の発明によれば、表面と裏面の両面で微細気泡を発生でき、効率良く多くの微細気泡を発生させることができる。
【００２２】
請求項４の発明によれば、圧電基板当たりの入力電力の上限値を高めることにより、より多くの電力を投入できるので、より多くの微細気泡を発生させることができる。
【００２３】
請求項５の発明によれば、圧電基板における電界分布が表面と裏面とで互いに対称となり、電圧振動による基板の圧縮と伸長が表裏で協調して行われるので、励振手段に投入する電力を効率的に電気機械変換して機械的エネルギとし、弾性表面波を効率的により強く励振でき、より多くの微細気泡を発生させることができる。
【００２４】
請求項６の発明によれば、簡単な構成により、微細気泡をさらに微細な気泡とすることができる。
【００２５】
請求項７の発明によれば、液体中のマイナスイオン（ＯＨ−等）を圧電基板や微細気泡の表面に付着させることにより、その同種電荷間の反発力によって、圧電基板近傍から微細気泡を速やに離脱させることができ、また、各微細気泡を互いに離間せしめて微細気泡間の結合を阻止することができるので、結合太り（合体）による微細気泡の消失を抑制し、微細気泡の状態を安定に維持させ、効率的に微細気泡を発生させることができる。
【００２６】
請求項８の発明によれば、液体中のプラスイオンによって、請求項７の発明と同様の効果が奏される。
【００２７】
請求項９の発明によれば、所望の気体を液体中に溶存させることにより、所望の気体から成る微細気泡を効率的に発生させることができる。
【００２８】
請求項１０の発明によれば、円形状の液体容器の円周方向の液体の流れによって、圧電基板近傍から微細気泡を速やに離脱させ、また、各微細気泡を互いに離間させることができ、微細気泡間の結合を阻止して結合太りによる微細気泡の消失を抑制し、効率的に微細気泡を発生させることができる。なお、圧電基板を、平面視で液体容器の中心から外して配置することにより、円周方向の液体の流れを自然発生させることができる。円周方向の液体の流れが発生している状態では、液体容器の中心部における微細気泡を液体の運動によって圧壊させることができ、微細気泡をさらに微細にすることができる。
【００２９】
請求項１１の発明によれば、液体の流れによって、圧電基板近傍から微細気泡を速やに離脱させ、また、各微細気泡を互いに離間させることができるので、微細気泡間の結合を阻止して結合太りによる微細気泡の消失を抑制し、効率的に微細気泡を発生させることができる。また、液中の気泡数の密度が均一となる液体の流れを発生させることができる。このような微細気泡を含む液体流を、管状の構造材によって所望の場所まで導き、洗浄等の処理に使用することができる。
【００３０】
請求項１２の発明によれば、小型の機器構成で、微細気泡を発生させることができる。また、液体を流す管状の構造材によって液体を流しながら均一かつ大量の微細気泡を安定的に発生させることができる。
【００３１】
請求項１３の発明によれば、液体中に圧電基板を備えればよいので、簡単で小型の機器構成の微細気泡発生装置を提供することができる。また、ガス化のために液体を電気分解するということもないので、液体の物性による制約が少なく広範囲の種類の液体に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す微細気泡発生装置の断面図。
【図２】同装置の斜視図。
【図３】同方法の手順を示すフローチャート。
【図４】同方法の変形例を示す装置断面図。
【図５】同方法の他の変形例を示す装置断面図。
【図６】同方法の更に他の変形例を示す装置断面図。
【図７】同方法の更に他の変形例を示す装置断面図。
【図８】同方法の更に他の変形例を示す装置断面図。
【図９】第２の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す装置断面図。
【図１０】第３の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す装置断面図。
【図１１】同方法の変形例を示す装置断面図。
【図１２】第４の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す装置斜視図。
【図１３】同装置の平面図。
【図１４】（ａ）は同装置の変形例を示す平面図、（ｂ）は同装置の他の変形例を示す平面図。
【図１５】（ａ）は第５の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す装置斜視図、（ｂ）は同装置の断面図。
【図１６】（ａ）は第６の実施形態に係る微細気泡の発生方法を示す装置斜視図、（ｂ）は同装置の断面図。
【図１７】第４の実施形態の変形例を示す装置斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態に係る弾性表面波を用いる微細気泡の発生方法および微細気泡発生装置について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１、図２、図３は第１の実施形態について示す。図１、図２に示すように、微細気泡発生装置１は、弾性表面波Ｗを励振するための励振手段として複数の櫛歯状の電極２１を表面Ｓに備えた圧電基板２を液体１０中に配置した装置であり、電極２１によって表面Ｓに弾性表面波Ｗを励振し、液体１０中で表面Ｓを伝播する弾性表面波Ｗによって液体１０中に微細気泡Ｂを発生させる。液体１０は液体容器１１に入れられている。以下、各構成を詳細説明する。
【００３４】
圧電基板２は、長方形の板材であって、その長手方向が上下方向となるように基板保持部２０によって液体１０中に垂直に保持されている。圧電基板２は、例えば、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）のような圧電体そのものからなる基板である。また、圧電基板２は、非圧電基板の表面に圧電薄膜、例えば、ＰＺＴ薄膜（鉛、ジルコニューム、チタン合金薄膜）を形成したものでもよく、その表面の圧電体薄膜の表面部分において、弾性表面波Ｗが励振される。従って、圧電基板２は、弾性表面波Ｗが励振される圧電体部分を表面に備えた基板であればよい。また、微細気泡発生装置１の圧電基板２として、その形状は、長方形に限らず、任意の形状とすることができる。また、表面Ｓは平面とは限らず任意の曲面とすることができる。圧電基板２は、一定厚みを有する板状とは限らず、任意形状であって、弾性表面波Ｗを伝播させる表面Ｓを備えるものであればよい。
【００３５】
櫛歯状の電極２１は、圧電基板２の表面Ｓに互いに異極となる２つの櫛形の電極を互いに噛み合わせて形成した電極（交差指電極、ＩＤＴ：インター・ディジタル・トランスジューサ）である。電極２１の互いに隣り合う櫛の歯は互いに異なる極性の電極に属し、励振する弾性表面波Ｗの波長の半分の長さのピッチで配列されている。電極２１の互いに異極の電極間に高周波電圧印加用の電気回路Ｅから高周波（例えば、ＭＨｚ帯）電圧を印加することにより、櫛形電極によって電気的エネルギが波の機械的エネルギに電気機械変換されて、圧電基板２の表面Ｓに弾性表面波Ｗが励振される。励振された弾性表面波Ｗの振幅は、電極２１に印加する電圧の大きさで決まる。励振された弾性表面波Ｗの波束の長さは、電圧の印加時間の長さに対応する。電極２１によって励振された弾性表面波Ｗは、一対の櫛形電極の歯が交差した幅に対応する幅の波となって、櫛の歯に垂直な方向ｘに伝播する。このような弾性表面波Ｗは、表面Ｓに存在する液体に対して、弾性表面波Ｗの伝播方向に移動させるような力を及ぼす性質がある。また、櫛形電極は、方向ｘの正負両方向に伝播する弾性表面波を生成するので、負方向に向かう弾性表面波を全反射させて有効利用する反射器を表面Ｓに備えてもよい。また振動の効率化と安定化のため定在波を発生させる目的で、圧電基板２の両面に共振および反射用の電極を設けてもよい。
【００３６】
固体表面を伝播する弾性表面波Ｗは、超音波、例えば、ピエゾ素子等を用いて発生して固体や流体中を３次元的に伝播する超音波に比べて、容易に安定的に高い周波数の波動として励振することができる。この周波数が高く波長が短い弾性表面波Ｗを液体中に伝播させることにより、直径がミクロンオーダやサブミクロンからナノメータオーダの微細な気泡をその液体中に発生させることができる。微細気泡Ｂは、液体１０中に溶存している気体から生成されると考えられる。そこで、液体中に微細気泡となるべき気体を予め過飽和に溶存させておき、その気体の微細気泡を発生させ易くしてもよい。例えば、図１に示すように、任意の気体を液体１０中に供給するための気体導入管１２を備え、気体導入管１２によって導入した気体を液体１０中に溶存させておく。すると、気体導入管１２によって導入した気体を含む微細気泡Ｂを発生させることができる。導入する気体として、酸素やオゾンなど微細気泡化によって高機能を発揮するような単体ガスや、大気中の空気などを用いることができる。さらに、気体の溶存可能量を増やすために、保冷装置を備えて液体１０を冷して、液体１０の温度を低く維持するようにしてもよい。
【００３７】
液体１０は、水道水や純水などの水、さらに、アルコール等の有機溶剤、その他の任意の液体を用いることができる。ただし、電極２１に絶縁保護を施していない場合には、液体１０は電気絶縁性の液体に限られる。そこで、電極２１の電気絶縁や圧電基板２の腐食防止のため、圧電基板２表面に絶縁層や保護層を設けてもよい。これらは弾性表面波Ｗの伝播損失を起こさないようにすることが望ましい。
【００３８】
図３に示すように、単純な手順で微細気泡を発生させることができる。すなわち、圧電基板２を液体１０中に配置して弾性表面波Ｗを励振し（＃１）、液体中において弾性表面波Ｗを圧電基板２の表面Ｓに沿って伝播させる（＃２）。すると、液体１０中で伝播する弾性表面波Ｗによって、液体１０中に微細気泡が発生する（＃３）。以下、微細気泡を発生させる間、上記ステップ（＃１〜＃３）を繰り返せばよい。
【００３９】
本実施形態によれば、液体１０中の圧電基板２の表面Ｓを伝播する弾性表面波Ｗによって微細気泡Ｂを発生させるので、旋回流を起して剪断力を発生させるために用いる高圧ポンプなどの機器が不要であり、簡単な構成により、小型の機器構成で微細気泡Ｂを発生させることができる。また、ガス化のために液体を電気分解するということもないので、液体１０に対する物性上の制約が少なく、広範囲の種類の液体に適用して微細気泡を安定的に発生させることができる。また、所望の気体を液体１０中に溶存させることにより、所望の気体から成る微細気泡Ｂを効率的に発生させることができる。
【００４０】
（第１の実施形態の変形例）
図４乃至図８は第１の実施形態の変形例を示す。図４に示すように、圧電基板２は、液体１０中において、水平に設置することもできる。電極２１は、圧電基板２の表面Ｓにおける中央に配置され、電極２１から両側に伝播する弾性表面波Ｗによって微細気泡Ｂが発生される。なお、基板２の配置姿勢は、垂直（鉛直のこと）や水平に限られず、一般に任意の向きとすることができる。
【００４１】
また、図５に示すように、圧電基板２は、その表面Ｓが、少なくとも電極２１を覆うように絶縁体２ａによって覆われているものとすることができる。絶縁体２ａは、表面Ｓの全面を覆う必要はない。絶縁体２ａは、硬い材料、つまり、弾性表面波Ｗが吸収されないような材料で構成される。このような絶縁体２ａは、圧電基板２と同等の圧電材料、例えばＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）の薄板や、他の絶縁材料、例えばシリコン基板の薄板などを、表面Ｓに接合して表面Ｓに設けられる。また、薄板を接合する替わりに、表面Ｓ上にＰＺＴ等の圧電薄膜を形成して、絶縁体２ａとすることができる。絶縁体２ａの厚みが薄い場合には、その外表面を弾性表面波Ｗが伝播する。厚い場合には、下地の表面Ｓに沿って弾性表面波Ｗが伝播し、絶縁体２ａが途切れて表面Ｓが露出した所、または、基板の端面における表面Ｓと絶縁体２ａの界面が露出したところ（露頭）で、微細気泡Ｂが発生する。
【００４２】
この変形例によれば、励振手段を構成する電極２１が絶縁されるので、導電性の液体であっても、液体中に微細気泡を安定的に発生させることができる。また、絶縁体２ａを備えているので、電極間が短絡してしまうという不測の事態を回避でき、操作性良く容易に微細気泡を発生させることができる。
【００４３】
また、図６に示すように、圧電基板２の板厚は、電極２１による弾性表面波Ｗが表面Ｓを伝播すると共に、表面Ｓに対向する裏面Ｓｒを弾性表面波Ｗｒが伝播するように薄い板厚とすることができる。圧電基板２の厚みは、例えば、弾性表面波Ｗの波長の１／４よりも薄くすればよい。圧電基板２として、ＰＺＴ等の圧電薄膜を用いることができる。このような薄い圧電基板２は、その周辺を額縁のように保持する周辺補強部を備えることにより、安定使用が可能な微細気泡発生装置１とすることができる。このようなダイヤフラム構造に形成した圧電基板は、シリコン基板などのエッチング技術などを用いて形成することができる。この変形例によれば、表面Ｓと裏面Ｓｒの両面で微細気泡Ｂを発生でき、効率良く多くの微細気泡Ｂを発生させることができる。
【００４４】
また、図７に示すように、圧電基板２は、励振手段としての電極２１を表面Ｓと共に表面Ｓに対向する裏面Ｓｒに備え、これら両面Ｓ，Ｓｒに弾性表面波Ｗ，Ｗｒを励振するものとすることができる。この変形例は、図６に示したものとは異なり、圧電基板２の厚みを薄くする必要はなく、任意の厚みとすることができる。また、圧電基板２の両面の同極性の電極２１を、圧電基板２を貫通するスルーホールによって接続することにより、高周波電圧印加用の電気回路Ｅとの接続配線を片面に集約することができる。このような変形例によれば、圧電基板当たりの入力電力の上限値を高めることにより、より多くの電力を投入できるので、入力電力の上限値を増加させて、より多くの微細気泡Ｂを発生させることができる。
【００４５】
また、図８に示すように、圧電基板２の両面Ｓ，Ｓｒにそれぞれ電極２１を設け、両面Ｓ，Ｓｒにおける弾性表面波Ｗ，Ｗｒが互いに同相となるように励振するものとすることができる。この変形例も、図６に示したものとは異なり、圧電基板２の厚みを薄くする必要はなく、薄い方が好適であるが任意の厚みとすることができる。このような変形例によれば、圧電基板２における電界分布が表面Ｓと裏面Ｓｒとで互いに対称となり、電圧振動による圧電基板２の圧縮と伸長が表裏で協調して行われるので、電極２１に投入する電力を効率的に波動の機械エネルギに電気機械変換でき、弾性表面波Ｗ，Ｗｒを効率的に、より強く励振でき、より多くの微細気泡Ｂを発生させることができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
図９は第２の実施形態について示す。本実施形態は、第１の実施形態において、圧電基板２の表面Ｓに対向する位置に衝撃波発生装置１４を備えるものであり、弾性表面波Ｗによって発生させた微細気泡Ｂを、衝撃波発生装置１４から発せられる衝撃波ＳＷによって圧壊させ、微細気泡Ｂをさらに微細な気泡Ｂ１とする。衝撃波発生装置１４は、微細気泡Ｂに対して衝撃波ＳＷを照射できる装置であればよい。例えば、微細気泡Ｂを発生する圧電基板２そのものを衝撃波発生装置１４の衝撃波発信源として兼用して衝撃波ＳＷを発生させ、液体１０中に衝撃波ＳＷを伝播させるようにしてもよい。この場合、衝撃波発信源を別途設置しなくともよくなる。また、この兼用によっては衝撃波ＳＷの十分な強度が得られない場合は、超音波発信器等を用いる衝撃波発生装置１４を別途設けて、両者からの衝撃波を印加するようにしてもよい。本実施形態によれば、旋回流を起こす流体運動発生用の機器などを必要とせず、簡単な構成により、微細気泡Ｂをさらに微細な気泡Ｂ１とすることができる。衝撃波ＳＷの伝播方向は、表面Ｓの正面方向とは限らず、上下左右斜めの任意の方向であって微細気泡Ｂに衝撃波ＳＷを照射できる方向であればよい。また、衝撃波ＳＷを特定焦点位置に集中するように発信面を曲面形成したり、複数の発信面毎に波の位相制御をするようにしてもよい。
【００４７】
（第３の実施形態）
図１０は第３の実施形態について示し、図１１はその変形例を示す。本実施形態は、第１の実施形態において、図１０に示すように、圧電基板２に正電圧を印加するようにしたものである。すなわち、圧電基板２から離間した液体中に対向電極１５を設け、圧電基板２と対向電極１５との間に直流電源Ｖからの電圧を印加して、圧電基板２における微細気泡Ｂが発生する領域を、その周辺に対して正電位となるようにしている。対向電極１５（負電極）に対して、圧電基板２とその周辺に正電圧を印加するための圧電基板２側の正電極（不図示）は、金属等の一様な電位を持つ導電性の材質のものが望ましい。また、弾性表面波Ｗを伝播する圧電基板２の表面Ｓに正電極用の電極パターンを設けてもよい。この場合、部品点数の軽減を図ることができる。また、電極２１を正電極として共用することができる。この場合、液体１０に対して電極２１が常に正電位となるように高周波電圧を印加すればよい。また、液体１０は、例えば水の場合、純水ではなくイオンが多く含まれるような水道水や電解水が望ましい。なお、本実施形態における電極２１は絶縁処理されているものである。
【００４８】
本実施形態によれば、液体１０中のマイナスイオン（例えば、ＯＨ−）を圧電基板２や微細気泡Ｂの表面に付着させることにより、その同種電荷間の反発力によって、圧電基板２近傍から微細気泡Ｂを速やに離脱させることができ、また、各微細気泡Ｂを互いに離間せしめて微細気泡Ｂ間の結合を阻止することができる。従って、微細気泡Ｂの結合太りによる微細気泡Ｂの消失を抑制でき、効率的に微細気泡Ｂを発生させ、微細気泡Ｂの状態を安定に維持させることができる。
【００４９】
また、図１１に示すように、圧電基板２に印加する電位を負電位とすることもできる。この場合、液体１０中プラスイオンによって、上述同様の効果が奏される。圧電基板２を正電位とするか負電位とするかは、液体１０や微細気泡Ｂの特性、微細気泡Ｂの適用分野（利用分野や目的）に応じて選択決定すればよい。
【００５０】
（第４の実施形態）
図１２、図１３は第４の実施形態について示し、図１４はその変形例を示す。本実施形態は、第１の実施形態において、図１２に示すように、液体１０が平面視で円形状の液体容器１１に入れられているものである。液体容器１１は、上面から見た際、その内周壁が真円に近い形状が望ましいが、楕円や矩形にＣ面処理、Ｒ面処理を施したような角のない回転流を発生し易い形状でもよい。圧電基板２は、このような液体容器１１の中心から偏心した位置に配置されている。また、その表面Ｓは、液体容器１１の直径方向に平行されており、微細気泡Ｂの発生方向（表面Ｓに垂直な方向）が円周方向とされている。このような配置構成のもとで発生された微細気泡Ｂは、液体容器１１の内壁面に沿って移動し、液体容器１１内の液体１０が内壁面に沿った方向の運動量を受けて、液体容器１１内に、円周方向の回転流（一種の対流）が発生する。また、円周方向に液体１０の流れが発生することにより、液体容器１１の中心部における微細気泡Ｂが液体１０の運動によって圧壊してさらに微細な気泡となる。このような構成の微細気泡発生装置１では、例えば、液体容器１１の下部中央から微細気泡Ｂを含む液体１０を、矢印ＯＵＴで示すように導出して、その液体１０を洗浄用途などに用いることができる。また、液体１０の流出を補うために、、矢印ＩＮで示すように液体容器１１の上方から適宜液体補給を行えばよい。なお、このような回転流を促進するために、積極的に、外部のモータによって回転するスターラなどを液体容器１１内に備えたり、圧電基板２そのものを、例えば、微細気泡Ｂが離脱するように液体容器１１の円周方向に沿って回転移動させたりしてもよい。
【００５１】
本実施形態によれば、円形状の液体容器１１の円周方向の液体１０の流れによって、圧電基板２近傍から微細気泡Ｂを速やに離脱させ、また、各微細気泡Ｂを互いに離間させ分散させることができるので、微細気泡Ｂ間の結合を阻止して結合太りによる微細気泡Ｂの消失を抑制し、効率的に微細気泡Ｂを発生させることができる。
【００５２】
図１４（ａ）は、上述の図１３における圧電基板２を平面視で液体容器１１の直径方向から傾けて、液体の回転流に対して邪魔にならない配置としたものである。また、図１４（ｂ）は、図１３における電極２１の配置が表面Ｓ内で９０゜回転されて、液体容器１１の直径方向が弾性表面波の伝播方向とされている。これらの変形例においても、上記同様の効果を奏することができる。
【００５３】
（第５の実施形態）
図１５（ａ）（ｂ）は第５の実施形態について示す。本実施形態は、管状の構造材５の内部を管方向に沿う矢印ｙ方向に流れる液体１０中で微細気泡Ｂを発生させるものである。管状の構造材５の内部に、第１の実施形態における圧電基板２と同様の圧電基板２が配置されている。圧電基板２において発生する微細気泡Ｂは、液体１０の液流によって圧電基板２から順次離脱し、液流と共に流れて行く。ｙ方向の液流は、位置エネルギによって発生するものでもよく、別途ポンプを設けてポンプによって発生するものでもよい。このとき、液体１０中の微細気泡Ｂが、その利用目的に応じて適切な気泡数密度となるように、予め圧電基板２における弾性表面波の励振電力、励振周波数、励振用電極数、伝播面積、圧電基板そのものの数量など、微細気泡Ｂを生成する性能に関わる諸元を設定したり、使用中に変更したりすることができる。また、微細気泡Ｂが適切な粒子数密度となるように、液体１０の流量を調節して変更するようにしてもよい。管状の構造材５は、断面が円形のパイプや四角形のパイプの他に、任意断面のパイプなどを用いることができる。
【００５４】
本実施形態によれば、液体１０の流れによって、圧電基板２近傍から微細気泡Ｂを速やに離脱させ、また、各微細気泡Ｂを互いに離間させることができるので、微細気泡Ｂ間の結合を阻止して結合太りによる微細気泡Ｂの消失を抑制し、効率的に微細気泡Ｂを発生させることができる。また、液体１０中の微細気泡数の密度が均一となるように微細気泡Ｂを発生させることができる。このような微細気泡Ｂを含む液体１０を、管状の構造材５によって所望の場所まで送液し、洗浄等の処理に使用することができる。
【００５５】
（第６の実施形態）
図１６（ａ）（ｂ）は第６の実施形態について示す。本実施形態は、上述の第５の実施形態において、圧電基板２の配置構成を変更したものである。すなわち、圧電基板２および電極２１が、管状の構造材５の内壁面に沿って設けられている。電極２１を備えた圧電基板２は、別途形成したものを構造材５の内壁面に貼り付けてもよく、また、構造材５の内壁面に圧電性の薄膜を成膜し、その上に電極２１を成膜して形成するものでもよい。本図に示した例では、電極２１の各櫛歯の長手方向が管状の構造材５の軸方向に沿って設けられており、弾性表面波は構造材５の円周方向に伝播する。電極２１の配置構成は、この構成に限らず、構造材５の内壁面における任意の向きや構造とすることができる。例えば、電極２１の各櫛歯の長手方向を構造材５の円周方向とすることができ、この場合、弾性表面波は、構造材５の軸方向に沿って伝播する。本実施形態によれば、小型の機器構成で、液体を流しながら均一かつ大量の微細気泡を安定的に発生させることができる。
【００５６】
図１７はは上述の第４の実施形態の変形例を示し、上述の第６の実施形態と同様に圧電基板２と電極２１を液体容器１１の内壁面に設けたものである。本実施形態によれば、すなわち、液体容器１１内に、その内部空間を占拠することなく、微細気泡を発生する構成を備えることができ、小型の機器構成で微細気泡Ｂを発生させることができる。
【００５７】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。弾性表面波を用いる本発明の微細気泡の発生方法および微細気泡発生装置は、特に、気泡の直径がサブミクロンのナノメートルオーダの気泡を発生させるものであり、このような微細気泡を含む液体は、各種の洗浄液、加工や反応促進のための化学反応液、整理作用液などとして好適に用いることができる。例えば、加工後の機械部品、電子回路基板、シリコン基板等の各種半導体基板、食器などの洗浄液として用いることができる。また、圧電基板２は複数組み合わせて用いることができる。また、微細気泡Ｂは、より小さい気泡をより安定に効率よく発生させるために、微細気泡間の結合太りを防止することが有効であり、そのため気泡結合防止手段として、上述のように圧電基板２と液体１０との間に相対流速を発生させたり、気泡を帯電させたりする手段が好適に用いられる。
【符号の説明】
【００５８】
１ 微細気泡発生装置
２ 圧電基板
２ａ 絶縁体
５ 管状の構造材（液体容器）
１０ 液体
１１ 液体容器
２０ 基板保持部
２１ 電極（励振手段）
Ｂ 微細気泡
Ｓ 表面
Ｓｒ 裏面
ＳＷ 衝撃波
Ｗ，Ｗｒ 弾性表面波
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波を励振するための複数の電極からなる励振手段を表面に備えた圧電基板を液体中に配置し、
前記励振手段によって前記表面に弾性表面波を励振し、
液体中で前記表面を伝播する弾性表面波によって液体中に微細気泡を発生させることを特徴とする微細気泡の発生方法。
【請求項２】
前記表面は、少なくとも前記励振手段を覆うように絶縁体によって覆われていることを特徴とする請求項１に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項３】
前記圧電基板の板厚は、前記励振手段による弾性表面波が前記表面に対向する裏面を伝播する板厚とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項４】
前記励振手段を前記表面と共に該表面に対向する裏面に備え、これら両面に弾性表面波を励振することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項５】
前記両面における弾性表面波は互いの位相が同相となるように励振することを特徴とする請求項４に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項６】
弾性表面波によって発生させた微細気泡を衝撃波によって圧壊させることにより、さらに微細な気泡とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項７】
前記圧電基板における微細気泡が発生する領域がその周辺に対して正電位とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項８】
前記圧電基板における微細気泡が発生する領域がその周辺に対して負電位とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項９】
前記微細気泡を発生させる液体中に気体を供給することにより該気体を溶存させておくことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項１０】
液体が平面視で円形状の液体容器に入れられていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項１１】
管状の構造材の内部を流れる液体中で微細気泡を発生させることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項１２】
液体を収容する液体容器の内壁面に前記圧電基板と前記励振手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項１３】
液体中で弾性表面波を用いて微細気泡を発生させる微細気泡発生装置において、
弾性表面波を励振するための複数の電極からなる励振手段を表面に備えた圧電基板と、
前記圧電基板を液体中に保持する基板保持部と、を備え、
前記励振手段に高周波電圧を印加することにより励振されて前記圧電基板に沿って液体中で伝播する弾性表面波によって液体中に微細気泡を発生させることを特徴とする微細気泡発生装置。
【請求項１】
弾性表面波を励振するための複数の電極からなる励振手段を表面に備えた圧電基板を液体中に配置し、
前記励振手段によって前記表面に弾性表面波を励振し、
液体中で前記表面を伝播する弾性表面波によって液体中に微細気泡を発生させることを特徴とする微細気泡の発生方法。
【請求項２】
前記表面は、少なくとも前記励振手段を覆うように絶縁体によって覆われていることを特徴とする請求項１に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項３】
前記圧電基板の板厚は、前記励振手段による弾性表面波が前記表面に対向する裏面を伝播する板厚とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項４】
前記励振手段を前記表面と共に該表面に対向する裏面に備え、これら両面に弾性表面波を励振することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項５】
前記両面における弾性表面波は互いの位相が同相となるように励振することを特徴とする請求項４に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項６】
弾性表面波によって発生させた微細気泡を衝撃波によって圧壊させることにより、さらに微細な気泡とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項７】
前記圧電基板における微細気泡が発生する領域がその周辺に対して正電位とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項８】
前記圧電基板における微細気泡が発生する領域がその周辺に対して負電位とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項９】
前記微細気泡を発生させる液体中に気体を供給することにより該気体を溶存させておくことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項１０】
液体が平面視で円形状の液体容器に入れられていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項１１】
管状の構造材の内部を流れる液体中で微細気泡を発生させることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項１２】
液体を収容する液体容器の内壁面に前記圧電基板と前記励振手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細気泡の発生方法。
【請求項１３】
液体中で弾性表面波を用いて微細気泡を発生させる微細気泡発生装置において、
弾性表面波を励振するための複数の電極からなる励振手段を表面に備えた圧電基板と、
前記圧電基板を液体中に保持する基板保持部と、を備え、
前記励振手段に高周波電圧を印加することにより励振されて前記圧電基板に沿って液体中で伝播する弾性表面波によって液体中に微細気泡を発生させることを特徴とする微細気泡発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−５７９（Ｐ２０１１−５７９Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４８１１８（Ｐ２００９−１４８１１８）
【出願日】平成２１年６月２２日（２００９．６．２２）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２２日（２００９．６．２２）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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