振動装置
【課題】従来と同程度以上のキャビテーションを発生可能な、小容量の水の浄化にも適するより小型の振動装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る振動装置は、水の中にキャビテーションを発生させる振動装置１００であって、複数の柱状の磁歪素子１２０と、前記複数の磁歪素子１２０を固定している非磁性体の固定治具１３０と、前記複数の磁歪素子１２０に対して、交流磁場をかける励磁装置１５０とを備えており、前記磁歪素子１２０は前記水の中に設置され、前記励磁装置１５０は前記水の外に設置される。
【解決手段】本発明に係る振動装置は、水の中にキャビテーションを発生させる振動装置１００であって、複数の柱状の磁歪素子１２０と、前記複数の磁歪素子１２０を固定している非磁性体の固定治具１３０と、前記複数の磁歪素子１２０に対して、交流磁場をかける励磁装置１５０とを備えており、前記磁歪素子１２０は前記水の中に設置され、前記励磁装置１５０は前記水の外に設置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪素子を用いた振動装置に関し、特に、複数の磁歪素子を用いた振動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波現象は産業上、幅広く利用されているが、その一例として、キャビテーションを用いた大腸菌の滅菌、ウイルスの不活性化等を行う装置が知られている。
【０００３】
キャビテーションとは、水を短時間に断熱膨張させた場合に、飽和水蒸気圧以下の圧力状態で無数の小さな気泡が発生・崩壊する現象である。この無数の微小気泡が崩壊したとき、微小空間に大きな圧力衝撃波や、これに相当する熱が生じる。これは、微小気泡が崩壊することによってできた水中の空洞に、気泡周囲の水が殺到し、衝突・分散するためである。このとき発生する圧力衝撃波は、平均圧力１ＧＰａ、温度１００００Ｋに達するパルスパワーである。この圧力衝撃波により、細菌を滅菌し、ウイルスを不活性化する効果が生じる。
【０００４】
また、光触媒である二酸化チタン（ＴｉＯ2）粒子を水媒質に添加すると、キャビテーション崩壊時のパルスパワーによって、ＴｉＯ2が励起し、強力な酸化分解力を示すラジカルが発生する。これは、光触媒に紫外線を照射した場合と同じ現象である。
【０００５】
このラジカルは、有機物を高効率で分解でき、その反応性の高さから、細菌の滅菌をはじめとした、環境浄化分野における応用が進んでいる。
【０００６】
こうしたキャビテーションを発生させる装置として、従来、超磁歪素子を備える超磁歪アクチュエータを用いた振動装置が知られている（例えば、非特許文献１）。
【０００７】
図１０は、従来の超磁歪アクチュエータを用いた振動装置の概要を示す図である。
図１０に示されるように、従来技術に係る振動装置９００は、超磁歪アクチュエータ９１０と、ピストン９１３と、シリンダー９１４とを備える。
【０００８】
超磁歪アクチュエータ９１０は、周囲にコイルが巻き付けられた超磁歪材料（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ）である。超磁歪材料（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ）は、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系合金であり、磁場を受けると、長さが伸び、磁場が消えると元の長さに戻るという性質を有する材料である。超磁歪アクチュエータ９１０が備えるコイルに交流電流が流されることにより、超磁歪材料を貫く交流磁場が発生する。この交流磁場により励磁された超磁歪材料は、交流電流の周期に応じて伸縮を繰り返す。その結果、超磁歪アクチュエータ９１０は、軸方向に強力な振動をうむ。
【０００９】
ピストン９１３は、超磁歪アクチュエータ９１０と直接機械的に接合されており、超磁歪アクチュエータ９１０の振動に応じて、上下に移動する。
【００１０】
シリンダー９１４は、内部に水が満たされたシリンダーであり、ピストン９１３が上下に移動することにより、シリンダー９１４内部の水に対して、連続的に断熱膨張及び断熱圧縮が繰り返される。その結果、キャビテーションが発生する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】鈴木 峻， 山田 外史， 上野 敏幸， 柿川 真紀子，“Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ”，２０１０年、第３４巻、ｐ．１３１−１３５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来技術に係る振動装置９００は、大規模な装置を必要とする用途（風呂、クーリングタワーの水）への適用には適しているが、小容量の水の滅菌・不活性効果を目的とするキャビテーションを発生させる場合には構造的に適当とはいえない。
【００１３】
振動装置９００では、十分な量のキャビテーションを発生させるために、長さ２０ｃｍ程度の大型の超磁歪アクチュエータ９１０を使用する。また、大型の超磁歪アクチュエータ９１０による振動に耐えうるように、ピストン９１３やシリンダー９１４の強度を確保する必要がある。そのため、装置自体が重く、大きなものとせざるを得ない。
【００１４】
その結果、装置の取り付け場所が限られ、使用の態様に制約が生じるという課題があった。
【００１５】
そこで、本発明は、従来と同程度以上のキャビテーションを発生可能な、小容量の水の浄化にも適するより小型の振動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】
【００１６】
本発明のある局面に係る振動装置は、水の中にキャビテーションを発生させる振動装置であって、複数の柱状の磁歪素子と、前記複数の磁歪素子を固定している非磁性体の固定治具と、前記複数の磁歪素子に対して、交流磁場をかけることで前記磁歪素子を振動させる励磁装置とを備えており、前記磁歪素子は前記水の中に設置され、前記励磁装置は前記水の外に設置される。
【００１７】
この構成によると、従来は超磁歪素子による超磁歪アクチュエータ９１０によりピストンを振動させピストン−シリンダー空間内にキャビテーションを発生させていたのに対し、複数の磁歪素子の両端でキャビテーションを発生させることができる。また、励磁による渦電流の発生を抑制し、より高い周波数で効率よくキャビテーションを発生させることができる。従来と同程度以上のキャビテーションを発生可能な、より小型の振動装置を提供することができる。これに加え、従来技術のようにキャビテーションを発生させる対象となる水を装置内に密閉する必要がなく、滅菌等を行う対象内部に磁歪素子を入れ、外部から励磁するという、従来では不可能な態様で使用できるという効果も生じる。
【００１８】
本発明の他の局面に係る振動装置は、前記複数の磁歪素子の各々が、長手方向に同一の向きに固定されている。
【００１９】
この構成によると、磁歪素子の長手方向と同一の向きに対して、特に強いキャビテーションを発生させるができる。よって、例えばパイプ内を流れる水流を浄化する場合において、水流の流れに沿ってキャビテーションを発生させることで、浄化効果を高めることができる。さらに、底面積が小さいために、水の流れに対する抵抗が小さく、水の流れ（層流）を乱しにくいという効果も生じる。
【００２０】
本発明の他の局面に係る振動装置は、前記複数の磁歪素子の各々が、長手方向に不規則な向きに固定され、前記交流磁場は、回転磁場である。
【００２１】
この構成によると、磁歪素子は、全方位に対してキャビテーションを発生させることができる。よって、例えば体内の患部に磁歪素子を埋め込み、又は、カテーテル等で患部へ誘導し、病巣に対して治療を施すような場合において、事前にキャビテーションを発生させるべき向きが不明である場合にも、効率よく細菌の滅菌及びウイルス不活性化の処置を施すことができる。
【００２２】
本発明の他の局面に係る振動装置は、前記複数の磁歪素子の各々は、長手方向に放射状に固定されている。
【００２３】
この構成によると、放射状に並べられた磁歪素子から生じるキャビテーションが集中する中心付近の滅菌及び不活性化の効果を高めることができる。よって、小型の対象物を殺菌するような用途では、励磁装置の出力をさらに低出力とし、また、磁歪素子の大きさをさらに小型にすることで、振動装置の大きさをより小さくすることができる。
【００２４】
本発明のある局面に係る浄化システムは、上記に記載の局面に係る振動装置のうち、少なくとも１つの局面に係る振動装置を複数備えた物としてもよい。
【００２５】
この構成によると、特徴の異なる複数の振動装置を、滅菌・不活性化対象の特徴に応じて組み合わせることで、より効率よく滅菌・不活性化の効果を奏することができる。例えば、パイプ内の水流の浄化において、パイプが太くまっすぐな箇所には、流れの抵抗が大きくともキャビテーションの発生効率が高い振動装置を使用し、パイプが細く、折れ曲がる箇所には、水流に対する抵抗の小さな振動装置を使用し、貯水槽のように一定方向の流れが想定できない箇所には、全方位に対してキャビテーションを発生させる振動装置を使用することで、浄化システム全体として、浄化効率と水流の安定とのトレードオフを解消することなどができる。
【発明の効果】
【００２６】
従来と同程度以上のキャビテーションを発生可能な、小容量の水の浄化にも適するより小型の振動装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施の形態１〜４に係る、水中にキャビテーションを発生させる振動装置の構成を示す概念図である。
【図２】実施の形態１〜４に係る、磁歪素子の具体例を示す外観図である。
【図３】実施の形態１の変形例に係る、振動装置の構成を示す図である。
【図４】実施の形態１の変形例に係る振動装置を用いて、水流の滅菌を行う利用場面を示す概念図である。
【図５】実施の形態２に係る振動装置の構成を示す図である。
【図６】実施の形態３に係る振動装置の構成を示す図である。
【図７】実施の形態３に係る振動装置の他の構成を示す図である。
【図８】実施の形態４に係る浄化システムの構成を示す図である。
【図９】実施の形態１の他の変形例に係る固定治具の形状を示す図である。
【図１０】従来の超磁歪アクチュエータを用いた振動装置の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る振動装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る、水中にキャビテーションを発生させる振動装置の構成を示す概念図である。
【００３０】
図１に示されるように、振動装置１００は、複数の柱状の磁歪素子１２０と、複数の磁歪素子に対して交流磁場をかける励磁装置１５０と、複数の磁歪素子を固定している非磁性体の固定治具１３０とを備える。
【００３１】
磁歪素子１２０は、柱状（円柱、角柱、その他の柱状形状）をしており、磁歪材料で作られている。磁歪素子１２０は、長手方向に磁場を受けることで、その長さが伸びる。よって、交流磁場を受けることで、長手方向に伸縮・振動する。
【００３２】
なお、磁歪材料としては、具体的には、鉄ガリウム合金（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）、鉄コバルト合金、鉄アルミニウム合金等、鉄と希土類以外の合金が考えられる。これらは、延性材料としての性質を有するため、（１）割れにくく加工が容易であり、（２）従来の超磁歪材料（鉄と希土類の合金）よりも透磁率が高い（よって、非接触により従来よりも弱い磁場で励磁できる）、という利点がある。なお、磁歪素子１２０として、従来の超磁歪材料（例えば、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系合金）を使用してもよく、以後、磁歪材料と超磁歪材料との双方を、磁歪材料と呼ぶ。
【００３３】
励磁装置１５０は、水を入れた容器（図示なし）に沈められた複数の磁歪素子１２０に対して、水の外から非接触で、同一の交流磁場をかける。
【００３４】
ここで、同一の交流磁場とは、１台の励磁装置１５０から出力される磁場である。具体的には、周期及び位相が一致し、磁場の向きも一致した交流磁場となる。
【００３５】
なお、励磁装置１５０は、複数のコイル１５１を備えてもよい。例えば、コイルの巻方向がそろった複数のコイル１５１を並行に並べ、これらに、交流電源１５２を並列に接続することにより、交流磁場を発生させてもよい。
【００３６】
励磁装置１５０は、コイル１５１と、交流電源１５２とを備える。
コイル１５１は、例えばヨーク（図示なし）を備えることで、発生する磁場を効率的に磁歪素子１２０へ向けてもよい。
【００３７】
交流電源１５２は、コイル１５１に交流電流を流すことで、交流磁場を発生させる。
交流電源１５２が出力する交流電流の周波数は、磁歪素子１２０の形状等にも依存するが、例えば数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ程度である。キャビテーションを発生させるには、水中で磁歪素子１２０を振動させることにより、水中で圧力分布を生じさせ、圧力が負圧となる箇所をつくりだす必要がある。よって、磁歪素子１２０は、ある限界値以上の周期で水を振動させる必要がある。
【００３８】
固定治具１３０は、複数の磁歪素子１２０を、特定の向きに固定するための治具である。固定治具１３０の材質は非磁性体であればよく、塑性体であるか、弾性体であるかを問わない。例えば、ゴムや、硬化性樹脂、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等が考えられる。
【００３９】
本実施の形態において、固定治具１３０には、複数の磁歪素子１２０の各々が、長手方向に同一の向きに固定されている。その際には、磁歪素子１２０の振動効率を低下させることがないように、磁歪素子１２０を固定治具１３０に固定することが望ましい。例えば、磁歪素子１２０の長手方向の中点で、固定治具１３０にビス留めし、又は、磁歪素子１２０の振動を妨げない、弾性材料を固定治具１３０に用いること等が考えられる。
【００４０】
図２は、磁歪素子１２０の具体例を示す外観図である。
図２（ａ）は、底面が１ｍｍ四方、長さが１０ｍｍの角柱状の磁歪素子１２０ａを示す。また、図２（ｂ）は、底面が直径１ｍｍ、長さが１０ｍｍの円柱状の磁歪素子１２０ｂを示す。
【００４１】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、本実施の形態に係る振動装置１００が備える磁歪素子１２０は、従来の振動装置９００が備える超磁歪材料と比較して非常に小型である。すなわち、本実施の形態に係る振動装置１００は、長さ数十ｃｍ程度の大型の柱状の磁歪素子を１つ使用する代わりに、数ミリ〜数センチ程度の小型の柱状の磁歪素子１２０を複数備えることが特徴となる。その理由は以下のとおりである。
【００４２】
従来の振動装置９００は、シリンダー９１４内部に閉じ込められた水中でキャビテーションを発生させる閉空間型の振動装置である。よって、超磁歪アクチュエータ９１０はピストンを駆動することでピストン・シリンダー閉空間にキャビテーションを発生させる。一方、本実施の形態に係る振動装置１００は、磁歪素子１２０を水中に沈め、水の外から非接触で励磁することにより、磁歪素子１２０の両端からキャビテーションを発生させる開空間型の振動装置となる。その結果、同じ底面積で比較すると、キャビテーションの発生効率が格段に向上する。よって、水中に沈めた複数の磁歪素子１２０を同一の交流磁場で同時に励磁することにより、従来と同程度以上のキャビテーションを発生可能な、より小型の振動装置を提供することができる。
【００４３】
そのためには、滅菌・不活性化の対象である水中に磁歪素子１２０を沈める必要があり、磁歪素子１２０は十分に小さくなければならない。
【００４４】
また、閉空間型の振動装置に必要な振動周波数（数十〜数百Ｈｚ）と比較し、開空間型では、水中で負圧を発生させるために必要な振動周波数（数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ）が格段に高くなる。ここで、磁歪素子１２０が交流磁場に応じて振動可能な振動周波数の上限は、細い磁歪素子１２０の方が高くすることができる。
【００４５】
さらに、一般に、磁性体にかかる磁場の大きさを急激に変化させた際には、電磁誘導効果により磁性体内に渦電流と呼ばれる渦状の電流が生じる。渦電流は周囲の磁場の変化を打ち消す向きに磁場を発生させるため、磁歪素子の振動効率を低下させる要因となる。この渦電流の大きさは、板厚（例えば、磁歪素子１２０の直径）の２乗に比例して大きくなるため、磁歪素子１２０の底面積を小さく（磁歪素子１２０を細く）することで、振動効率の低下を抑えることができる。
【００４６】
こうして、開空間型の振動装置として構成することにより、対象となる水を密閉する必要がなく、滅菌・不活性化の対象としたい水中に磁歪素子１２０を沈め、水の外から非接触に励磁することが可能となるため、キャビテーションの適用場面が広がるという利点も生じる。また、水中では、任意の方向に向けた複数の磁歪素子１２０を固定治具１３０に対して固定することができる。よって、例えば３次元的に全方向へ同時にキャビテーションを発生させることができる等、キャビテーションによって細菌の滅菌等を行う際の作業効率及び滅菌等の効果を向上させることができる。
【００４７】
なお、振動装置１００によりキャビテーションを発生させるためには、少なくとも１〜１０μｍ程度の幅で振動を発生させる必要があるため、磁歪素子１２０の長さは、少なくとも数ｍｍ〜１０ｍｍ程度のオーダーが必要である。
【００４８】
以上述べたように、本実施の形態に係る振動装置１００は、水中にキャビテーションを発生させる振動装置１００であり、複数の柱状の磁歪素子１２０と、複数の磁歪素子１２０を固定している非磁性体の固定治具１３０と、複数の磁歪素子１２０に対して、交流磁場をかける励磁装置１５０とを備えている。ここで、磁歪素子１２０は水中に設置され、励磁装置１５０は水の外に設置される。また、複数の磁歪素子１２０の各々は、長手方向に同一の向きに固定されている。
【００４９】
このように、本実施の形態に係る振動装置１００は、図２に示されるような小型の磁歪素子１２０を複数使用することにより、キャビテーションの発生効率を向上させることができる。
【００５０】
（実施の形態１の変形例）
なお、実施の形態１に係る振動装置１００では、複数の磁歪素子１２０の向きが同一であればよい。よって、固定治具への固定方法には、例えば以下に述べる変形例も考えられる。
【００５１】
図３は、本変形例における、複数の磁歪素子１２０の固定方法を示す図である。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一の符号を付け、詳細な説明を省略する。
【００５２】
固定治具２１０は、格子状に貫通孔が空けられた非磁性体（例えば、ゴム、合成樹脂、ＦＲＰなど）である。
【００５３】
図３に示されるように、複数の磁歪素子１２０が、長手方向に同一の向きに、かつ、固定治具２１０の面に対して垂直となるように、複数の貫通孔の少なくとも一部に通され、固定されている。
【００５４】
図４は、本変形例に係る固定治具２１０を備えた振動装置１００を用いて、キャビテーションによる水流の滅菌を行う利用場面を示す概念図である。
【００５５】
パイプ３２０には、一方向に水が流されており、その水流の向きに対して垂直となるように（すなわち、磁歪素子１２０の長手方向が水流の向きと一致するように）固定治具２１０がパイプ３２０内に固定されている。水は、固定治具２１０の貫通孔を通過し、固定治具２１０の左から右へ流れることができる。
【００５６】
ここで、励磁装置１５０から固定治具２１０を長手方向に貫くように交流磁場をかけると、固定治具２１０に固定された複数の磁歪素子１２０は一斉に振動し、その両端点を中心に、水中にキャビテーションが発生する。その結果、パイプ３２０を流れる水流に対して、滅菌及びウイルスの不活性化処理を施すことができる。
【００５７】
なお、本変形例では、パイプ３２０を挟んで２つのコイル１５１を備えた励磁装置１５０を使用しているが、上記のとおり、この２つのコイル１５１が出力する交流磁場の周期及び位相が一致するよう、２つのコイル１５１には、周期及び位相が一致する交流電流が流される。例えば、２つのコイル１５１の各々は、共通の交流電源１５２（図示なし）により駆動される。
【００５８】
この方式によると、パイプを流れる水中に直接キャビテーションを発生させることができるため、水の流れを止める必要がなく、大量の水に対して効率的に細菌の滅菌及びウイルスの不活性化を行うことができるという利点がある。
【００５９】
さらに、磁歪素子の長手方向と同一の向きに対して、特に強いキャビテーションを発生させることができる。よって、例えばパイプ内を流れる水流を浄化する場合において、水流の流れに沿ってキャビテーションを発生させることで、浄化効果を高めることができる。さらに、底面積が小さいために、水の流れに対する抵抗が小さく、水の流れ（層流）を乱しにくいという効果も生じる。
【００６０】
（実施の形態２）
実施の形態１及びその変形例に係る振動装置１００は、特定の向きに対してキャビテーションを発生させる。一方、本実施の形態に係る振動装置１００は、全周囲へ均等にキャビテーションを発生させる。
【００６１】
図５は、本実施の形態に係る振動装置１００の構成を示す図である。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一の符号を付け、詳細な説明を省略する。
【００６２】
図５に示されるように、本実施の形態に係る振動装置１００は、固定治具３３０でランダム方向に固定された複数の磁歪素子１２０と、複数のコイル１５１ａ〜コイル１５１ｄを有する励磁装置１５０とを備える。複数の磁歪素子１２０は、キャビテーションを発生させる対象である水中に浸されている。
【００６３】
固定治具３３０は、非磁性体の素材であって、水を通す形状であり、複数の磁歪素子１２０をランダム方向に固定可能な治具である。たとえば、固定治具３３０を非磁性体の素材でつくられたメッシュ状のかごとすることが考えられる。その場合、各かごの中に、ランダムな方向に磁歪素子１２０を詰めることで、磁歪素子１２０を固定することができる。また、固定治具３３０を非磁性体の金属ワイヤーメッシュ（例えば、金属たわしのようなもの）として、これに突き刺すようにして、複数の磁歪素子１２０を固定してもよい。
【００６４】
なお、ここでいう「ランダム」とは、厳密に数学的意味での乱数により決定された方向でなくとも、各々の磁歪素子１２０が不規則な方向に固定されていればよい。
【００６５】
図５に示されるように、本実施の形態に係る励磁装置１５０は、固定治具３３０を取り囲むように、４つのコイル１５１ａ〜コイル１５１ｄを９０度ずつずらして配置する。このとき、コイルの各々は、磁歪素子１２０及び固定治具３３０に対して、コイルの底面が相対するように配置される。
【００６６】
これらコイル１５１ａ〜コイル１５１ｄを備える励磁装置１５０は、水中に固定された複数の磁歪素子１２０に対して、同一周期、同一位相であり、かつ、対面位置にあるコイル同士で磁場の向きが同一となる交流磁場を発生させる。また、より好ましくは、コイル１５１ａ〜コイル１５１ｄは、異なる周波数、位相をもつ交流磁場によりランダムな方向に磁界を発生させてもよい。ランダムな方向の磁界を発生させることにより、ランダムな方向に固定された複数の磁歪素子１２０をより効率よく振動させ、磁歪素子１２０の両端からキャビテーションを発生させることができるためである。
【００６７】
これにより、全方向に対して１度にキャビテーションを発生させることができるため、滅菌・不活性化の時間を短縮し、また消費する電力をより省電力化することができる。また、固定治具３３０に封入された複数の磁歪素子１２０を、例えばカテーテルの先端に取り付け人体内に挿入し、又は、外科手術により患部に埋め込んだのち、外部から励磁する場合のように、キャビテーションを発生させるべき方向が事前に不明である場合にも、効率よく、人体へ負担を掛けずに治療することが可能となる。
【００６８】
なお、前述のとおり、本実施の形態に係るコイル１５１ａ〜コイル１５１ｄが発生させる磁場は、必ずしもすべて同位相でなくともよく、位相及び周波数が異なっていてもよい。
【００６９】
例えば、４つのコイルのうち、対面に位置する２つのコイルが発生させる磁場が同位相であり、かつ、一方のコイルの組が発生させる磁場と、他方のコイルの組が発生させる磁場とは、位相が９０度ずれていてもよい。より具体的には、例えばコイル１５１ａ〜コイル１５１ｄを同一の交流電源１５２（図示なし）に接続し、コイル１５１ｂとコイル１５１ｄには、さらに、交流電源１５２との間に位相が９０度ずれるようにコンデンサを挿入することなどが考えられる。これにより、固定治具３３０の周囲に回転磁場である交流磁場を発生させることができる。その結果、ランダムな向きに固定されている複数の磁歪素子１２０に対して、その各々を貫く向きに磁場をかけることができ、より効率的に磁歪素子１２０を振動させることができる。
【００７０】
また、コイル１５１ａ〜コイル１５１ｄが配置された平面に対して直交する平面上であって、固定治具３３０を取り囲む位置に、さらに４つのコイルを９０度ずつずらして配置してもよい。これにより、さらに正確に、磁歪素子１２０各々を貫く向きに磁場を発生させることができ、より効率的に磁歪素子１２０を振動させることができる。
【００７１】
なお、固定治具３３０は、図５では立方体として示されているが、球状や表面に凹凸のある形状等、複数の磁歪素子１２０を不規則な方向に固定でき、かつ、磁歪素子１２０の振動を妨げない形状であれば、他の任意の立体形状であってもよい。
【００７２】
（実施の形態３）
実施の形態２に係る振動装置１００は、複数の磁歪素子の各々を、長手方向に不規則な向きに固定することにより、多様な方向に対して同時にキャビテーションを発生させることを目的とした。一方、本実施の形態に係る振動装置１００は、１箇所にキャビテーションを集中させることで、滅菌・不活性化の能力を高めることを目的とする。
【００７３】
図６は、本実施の形態に係る振動装置１００の構成を示す図である。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一の符号を付け、詳細な説明を省略する。
【００７４】
図６に示されるように、本実施の形態に係る振動装置１００は、環状の固定治具２２０と、複数の磁歪素子１２０と、コイル１５１ａ〜コイル１５１ｄを有する励磁装置１５０とを備える。
【００７５】
複数の磁歪素子１２０の各々は、一方の端が固定治具２２０による環の中心方向を向くように、長手方向に放射状に、固定治具２２０へ固定されている。
【００７６】
これら複数の磁歪素子１２０が固定された固定治具２２０に対して、４つのコイル１５１ａ〜コイル１５１ｄは、同一の交流磁場を発生させることで、複数の磁歪素子１２０の各々を振動させる。その結果、磁歪素子１２０の両端を中心にキャビテーションが発生する。本実施の形態に係る振動装置１００では、磁歪素子１２０が放射状に配置されていることから、固定治具２２０による環の中心に、最も強い滅菌・不活性化作用が生じる。
【００７７】
このように、複数のキャビテーションを１箇所に集めることで、より強い滅菌・不活性化作用を生じる振動装置１００を実現できる。また、小型の対象物を殺菌するような用途では、励磁装置の出力をさらに低出力とし、また、磁歪素子の大きさをさらに小型にすることで、振動装置の大きさをより小さくすることができる。
【００７８】
なお、実施の形態３と同様に、本実施の形態に係る励磁装置１５０も、回転磁場を発生させることで、より効率よく、複数の磁歪素子１２０を振動させることができる。すなわち、コイル１５１ａ及びコイル１５１ｃからなるコイルの組と、コイル１５１ｂ及びコイル１５１ｄからなるコイルの組とで、９０度位相の異なる交流電流を加えることにより、図６に示されるような回転磁界を発生させることが好ましい。これにより、すべての方向の磁歪素子１２０を、より効率よく励磁し、振動させることができる。その結果、同程度のキャビテーションをより小型の振動装置１００によって発生させることができる。
【００７９】
また、本実施の形態に係る振動装置１００は、例えば図７に示されるような構成であってもよい。
【００８０】
図７は、実施の形態３に係る振動装置の他の構成を示す図である。
図７（ａ）に示されるように、磁歪素子１２０が、その長手軸が中心へ向かうよう環状に分散し配置される。ここで、図７（ｂ）にＡ−Ａ’の断面を示す。
【００８１】
図７（ｂ）に示されるように、異なる半径をもつ複数の同心円状のヨークを備えたコイルを上下から挟むように、上下２つの磁歪素子１２０が固定治具２２０に固定されている。コイルに交流電流を流すことで、例えば矢印で示されるように、磁歪素子１２０を長手方向に貫く向きに交流磁場が発生する。
【００８２】
ここで、上下の磁歪素子１２０では、磁界の向きが異なるが、同じ正の伸びが発生する。よって，振動子全部が中心へ向かうような音波を発生する。これにより、これよりキャビテーションの効果を中心に集中させることができる。よって、固定治具２２０の内側に入れられた水を、効率よく浄化することができる。
【００８３】
なお、固定治具２２０の外部においては，同心円に広がる音波を発生する。よって、固定治具２２０の外側に水がある場合（たとえば、振動装置１００が水に浸されている場合など）には、外側の水を浄化することもできる。よって、例えば、より浄化の必要性が高い水を固定治具２２０の内側に流し、浄化の必要性は劣るが量が大量の水を固定治具２２０の外側に流すことにより、１つの振動装置１００で、浄化の必要性が異なる２つの水流に対して浄化処理を施すことができる。
【００８４】
（実施の形態４）
次に、実施の形態１〜３で述べた振動装置１００を複数使用する浄化システムについて述べる。
【００８５】
図８は、本実施の形態に係る振動装置１００を備えた浄化システムの構成を示す図である。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一の符号を付け、詳細な説明を省略する。
【００８６】
図８に示されるように、浄化システム８００は、複数の振動装置１００と、タンク４１０と、パイプ４１１と、ポンプ４１２とを備える。タンク４１０に蓄えられた水は、ポンプ４１２によってパイプ４１１の中を循環する。また、複数の振動装置１００は、パイプ４１１の途中に設置される。
【００８７】
振動装置１００は、複数の磁歪素子１２０と、固定治具と、励磁装置１５０とを備える。
【００８８】
各々の振動装置１００は、例えば、実施の形態１〜３に係る振動装置１００のうちの、いずれかを使用してもよく、他の任意の振動装置を使用してもよい。
【００８９】
複数の振動装置１００を並べて使用することにより、パイプ４１１の形状や大きさにかかわらず、タンク４１０に蓄えられる水を浄化するために必要十分なキャビテーションを発生させることができる。すなわち、浄化システム８００のスケーラビリティを容易に確保することができる。
【００９０】
また、異なる配置の磁歪素子１２０を備える振動装置１００を組み合わせることにより、水流中に乱流を発生させにくい構造の浄化システム８００とすること等も考えられる。
【００９１】
一般に、パイプ４１１中に磁歪素子１２０を備えた固定治具を設置することで、水の流れが乱され、層流から乱流に変化することが考えられる。乱流の発生は、パイプ４１１の破損等につながるおそれがある。よって、例えば、パイプ４１１の直径が太い箇所や、一定方向への流れのないタンク４１０等では、浄化効率を優先して、磁歪素子１２０がランダムに突き出した、いびつな形状の振動装置１００（例えば実施の形態２）を設置し、パイプ４１１が細くなる、又は、折れ曲がる箇所に近づくにつれ、磁歪素子１２０が水流を乱しにくいように配置された振動装置１００（例えば実施の形態１）を設置することで浄化システム８００を構成してもよい。
【００９２】
なお、実施の形態１〜４及びその変形例に係る振動装置１００が備える励磁装置１５０の数は、例示であり、１以上の任意の数の励磁装置１５０を備えてよい。ただし、２台の励磁装置１５０によって発生する磁場の向きが、磁歪素子１２０が固定される位置において、各々逆向きとなることがないように、励磁装置１５０を配置する必要がある。磁場が弱まり、磁歪素子１２０が発生させるキャビテーションが減少することを防ぐためである。
【００９３】
また、実施の形態１〜４及びその変形例に係る固定治具の形状は例示である。例えば、実施の形態１の変形例に係る固定治具は、図３に平面形状として示されるが、必ずしも平面形状でなくともよい。例えば、図９に示される球体のように、厚みのある固定治具を用いてもよい。その場合、固定治具は、磁歪素子１２０の振動を妨げない、弾性体であることが望ましい。
【００９４】
また、実施の形態１〜４及びその変形例において、コイル１５１を複数使用する場合には、各々のコイル１５１が必ずしも別々の交流電源１５２に接続されずともよく、２つ以上のコイル１５１が１台の交流電源１５２を共有してもよい。
【００９５】
なお、実施の形態１〜４及びその変形例において、複数の磁歪素子１２０の少なくとも一部を、励磁装置１５０が備えるコイルの内側に配置してもよい。例えば、図４を参照して、励磁装置１５０は、複数の磁歪素子１２０が内部に設置されたパイプ３２０の外側に巻回されたコイル１５１を備えるとしてもよい。また、図８を参照して、複数の振動装置１００の各々が備える励磁装置１５０は、パイプ４１１の外側に巻回されたコイル１５１を備えるとしてもよい。一般にコイル内側に発生する磁界は、コイル外部に発生する磁界より、より強力であるため、より効率よく磁歪素子１２０を振動させることができる。
【００９６】
また、実施の形態１〜４及びその変形例に係る振動装置１００を、主に水の浄化（細菌の滅菌・ウイルスの不活性化）を目的とした装置として記載したが、本願発明は、その他にも超音波現象を利用する一般的な装置の代用として、広く利用可能である。たとえば、コンタクトレンズ及び眼鏡等の日用品の洗浄、機械部品の研磨・洗浄、非破壊検査装置、内視鏡やカテーテルの先端に取り付け患部の治療等を行うための医療器具等に適用してもよい。
【００９７】
また、上記図１〜図８において、各構成要素の角部及び辺を直線的に記載しているが、製造上の理由により、角部及び辺が丸みをおびたものも本発明に含まれる。
【００９８】
また、上記実施の形態１〜４及びその変形例に係る、振動装置１００の機能のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。
【００９９】
さらに、本発明の主旨を逸脱しない限り、本実施の形態１〜４及びその変形例に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、複数の磁歪素子を用いてキャビテーションを発生させる振動装置に適用できる。
【符号の説明】
【０１０１】
１００、９００ 振動装置
１２０、１２０ａ、１２０ｂ 磁歪素子
１３０、２１０、２２０、３３０ 固定治具
１５０ 励磁装置
１５１、１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ、１５１ｄ コイル
１５２ 交流電源
３２０、４１１ パイプ
４１０ タンク
４１２ ポンプ
８００ 浄化システム
９１０ 超磁歪アクチュエータ
９１３ ピストン
９１４ シリンダー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁歪素子を用いた振動装置に関し、特に、複数の磁歪素子を用いた振動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波現象は産業上、幅広く利用されているが、その一例として、キャビテーションを用いた大腸菌の滅菌、ウイルスの不活性化等を行う装置が知られている。
【０００３】
キャビテーションとは、水を短時間に断熱膨張させた場合に、飽和水蒸気圧以下の圧力状態で無数の小さな気泡が発生・崩壊する現象である。この無数の微小気泡が崩壊したとき、微小空間に大きな圧力衝撃波や、これに相当する熱が生じる。これは、微小気泡が崩壊することによってできた水中の空洞に、気泡周囲の水が殺到し、衝突・分散するためである。このとき発生する圧力衝撃波は、平均圧力１ＧＰａ、温度１００００Ｋに達するパルスパワーである。この圧力衝撃波により、細菌を滅菌し、ウイルスを不活性化する効果が生じる。
【０００４】
また、光触媒である二酸化チタン（ＴｉＯ2）粒子を水媒質に添加すると、キャビテーション崩壊時のパルスパワーによって、ＴｉＯ2が励起し、強力な酸化分解力を示すラジカルが発生する。これは、光触媒に紫外線を照射した場合と同じ現象である。
【０００５】
このラジカルは、有機物を高効率で分解でき、その反応性の高さから、細菌の滅菌をはじめとした、環境浄化分野における応用が進んでいる。
【０００６】
こうしたキャビテーションを発生させる装置として、従来、超磁歪素子を備える超磁歪アクチュエータを用いた振動装置が知られている（例えば、非特許文献１）。
【０００７】
図１０は、従来の超磁歪アクチュエータを用いた振動装置の概要を示す図である。
図１０に示されるように、従来技術に係る振動装置９００は、超磁歪アクチュエータ９１０と、ピストン９１３と、シリンダー９１４とを備える。
【０００８】
超磁歪アクチュエータ９１０は、周囲にコイルが巻き付けられた超磁歪材料（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ）である。超磁歪材料（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄ）は、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系合金であり、磁場を受けると、長さが伸び、磁場が消えると元の長さに戻るという性質を有する材料である。超磁歪アクチュエータ９１０が備えるコイルに交流電流が流されることにより、超磁歪材料を貫く交流磁場が発生する。この交流磁場により励磁された超磁歪材料は、交流電流の周期に応じて伸縮を繰り返す。その結果、超磁歪アクチュエータ９１０は、軸方向に強力な振動をうむ。
【０００９】
ピストン９１３は、超磁歪アクチュエータ９１０と直接機械的に接合されており、超磁歪アクチュエータ９１０の振動に応じて、上下に移動する。
【００１０】
シリンダー９１４は、内部に水が満たされたシリンダーであり、ピストン９１３が上下に移動することにより、シリンダー９１４内部の水に対して、連続的に断熱膨張及び断熱圧縮が繰り返される。その結果、キャビテーションが発生する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】鈴木 峻， 山田 外史， 上野 敏幸， 柿川 真紀子，“Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ”，２０１０年、第３４巻、ｐ．１３１−１３５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来技術に係る振動装置９００は、大規模な装置を必要とする用途（風呂、クーリングタワーの水）への適用には適しているが、小容量の水の滅菌・不活性効果を目的とするキャビテーションを発生させる場合には構造的に適当とはいえない。
【００１３】
振動装置９００では、十分な量のキャビテーションを発生させるために、長さ２０ｃｍ程度の大型の超磁歪アクチュエータ９１０を使用する。また、大型の超磁歪アクチュエータ９１０による振動に耐えうるように、ピストン９１３やシリンダー９１４の強度を確保する必要がある。そのため、装置自体が重く、大きなものとせざるを得ない。
【００１４】
その結果、装置の取り付け場所が限られ、使用の態様に制約が生じるという課題があった。
【００１５】
そこで、本発明は、従来と同程度以上のキャビテーションを発生可能な、小容量の水の浄化にも適するより小型の振動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】
【００１６】
本発明のある局面に係る振動装置は、水の中にキャビテーションを発生させる振動装置であって、複数の柱状の磁歪素子と、前記複数の磁歪素子を固定している非磁性体の固定治具と、前記複数の磁歪素子に対して、交流磁場をかけることで前記磁歪素子を振動させる励磁装置とを備えており、前記磁歪素子は前記水の中に設置され、前記励磁装置は前記水の外に設置される。
【００１７】
この構成によると、従来は超磁歪素子による超磁歪アクチュエータ９１０によりピストンを振動させピストン−シリンダー空間内にキャビテーションを発生させていたのに対し、複数の磁歪素子の両端でキャビテーションを発生させることができる。また、励磁による渦電流の発生を抑制し、より高い周波数で効率よくキャビテーションを発生させることができる。従来と同程度以上のキャビテーションを発生可能な、より小型の振動装置を提供することができる。これに加え、従来技術のようにキャビテーションを発生させる対象となる水を装置内に密閉する必要がなく、滅菌等を行う対象内部に磁歪素子を入れ、外部から励磁するという、従来では不可能な態様で使用できるという効果も生じる。
【００１８】
本発明の他の局面に係る振動装置は、前記複数の磁歪素子の各々が、長手方向に同一の向きに固定されている。
【００１９】
この構成によると、磁歪素子の長手方向と同一の向きに対して、特に強いキャビテーションを発生させるができる。よって、例えばパイプ内を流れる水流を浄化する場合において、水流の流れに沿ってキャビテーションを発生させることで、浄化効果を高めることができる。さらに、底面積が小さいために、水の流れに対する抵抗が小さく、水の流れ（層流）を乱しにくいという効果も生じる。
【００２０】
本発明の他の局面に係る振動装置は、前記複数の磁歪素子の各々が、長手方向に不規則な向きに固定され、前記交流磁場は、回転磁場である。
【００２１】
この構成によると、磁歪素子は、全方位に対してキャビテーションを発生させることができる。よって、例えば体内の患部に磁歪素子を埋め込み、又は、カテーテル等で患部へ誘導し、病巣に対して治療を施すような場合において、事前にキャビテーションを発生させるべき向きが不明である場合にも、効率よく細菌の滅菌及びウイルス不活性化の処置を施すことができる。
【００２２】
本発明の他の局面に係る振動装置は、前記複数の磁歪素子の各々は、長手方向に放射状に固定されている。
【００２３】
この構成によると、放射状に並べられた磁歪素子から生じるキャビテーションが集中する中心付近の滅菌及び不活性化の効果を高めることができる。よって、小型の対象物を殺菌するような用途では、励磁装置の出力をさらに低出力とし、また、磁歪素子の大きさをさらに小型にすることで、振動装置の大きさをより小さくすることができる。
【００２４】
本発明のある局面に係る浄化システムは、上記に記載の局面に係る振動装置のうち、少なくとも１つの局面に係る振動装置を複数備えた物としてもよい。
【００２５】
この構成によると、特徴の異なる複数の振動装置を、滅菌・不活性化対象の特徴に応じて組み合わせることで、より効率よく滅菌・不活性化の効果を奏することができる。例えば、パイプ内の水流の浄化において、パイプが太くまっすぐな箇所には、流れの抵抗が大きくともキャビテーションの発生効率が高い振動装置を使用し、パイプが細く、折れ曲がる箇所には、水流に対する抵抗の小さな振動装置を使用し、貯水槽のように一定方向の流れが想定できない箇所には、全方位に対してキャビテーションを発生させる振動装置を使用することで、浄化システム全体として、浄化効率と水流の安定とのトレードオフを解消することなどができる。
【発明の効果】
【００２６】
従来と同程度以上のキャビテーションを発生可能な、小容量の水の浄化にも適するより小型の振動装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施の形態１〜４に係る、水中にキャビテーションを発生させる振動装置の構成を示す概念図である。
【図２】実施の形態１〜４に係る、磁歪素子の具体例を示す外観図である。
【図３】実施の形態１の変形例に係る、振動装置の構成を示す図である。
【図４】実施の形態１の変形例に係る振動装置を用いて、水流の滅菌を行う利用場面を示す概念図である。
【図５】実施の形態２に係る振動装置の構成を示す図である。
【図６】実施の形態３に係る振動装置の構成を示す図である。
【図７】実施の形態３に係る振動装置の他の構成を示す図である。
【図８】実施の形態４に係る浄化システムの構成を示す図である。
【図９】実施の形態１の他の変形例に係る固定治具の形状を示す図である。
【図１０】従来の超磁歪アクチュエータを用いた振動装置の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る振動装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る、水中にキャビテーションを発生させる振動装置の構成を示す概念図である。
【００３０】
図１に示されるように、振動装置１００は、複数の柱状の磁歪素子１２０と、複数の磁歪素子に対して交流磁場をかける励磁装置１５０と、複数の磁歪素子を固定している非磁性体の固定治具１３０とを備える。
【００３１】
磁歪素子１２０は、柱状（円柱、角柱、その他の柱状形状）をしており、磁歪材料で作られている。磁歪素子１２０は、長手方向に磁場を受けることで、その長さが伸びる。よって、交流磁場を受けることで、長手方向に伸縮・振動する。
【００３２】
なお、磁歪材料としては、具体的には、鉄ガリウム合金（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）、鉄コバルト合金、鉄アルミニウム合金等、鉄と希土類以外の合金が考えられる。これらは、延性材料としての性質を有するため、（１）割れにくく加工が容易であり、（２）従来の超磁歪材料（鉄と希土類の合金）よりも透磁率が高い（よって、非接触により従来よりも弱い磁場で励磁できる）、という利点がある。なお、磁歪素子１２０として、従来の超磁歪材料（例えば、Ｔｂ−Ｄｙ−Ｆｅ系合金）を使用してもよく、以後、磁歪材料と超磁歪材料との双方を、磁歪材料と呼ぶ。
【００３３】
励磁装置１５０は、水を入れた容器（図示なし）に沈められた複数の磁歪素子１２０に対して、水の外から非接触で、同一の交流磁場をかける。
【００３４】
ここで、同一の交流磁場とは、１台の励磁装置１５０から出力される磁場である。具体的には、周期及び位相が一致し、磁場の向きも一致した交流磁場となる。
【００３５】
なお、励磁装置１５０は、複数のコイル１５１を備えてもよい。例えば、コイルの巻方向がそろった複数のコイル１５１を並行に並べ、これらに、交流電源１５２を並列に接続することにより、交流磁場を発生させてもよい。
【００３６】
励磁装置１５０は、コイル１５１と、交流電源１５２とを備える。
コイル１５１は、例えばヨーク（図示なし）を備えることで、発生する磁場を効率的に磁歪素子１２０へ向けてもよい。
【００３７】
交流電源１５２は、コイル１５１に交流電流を流すことで、交流磁場を発生させる。
交流電源１５２が出力する交流電流の周波数は、磁歪素子１２０の形状等にも依存するが、例えば数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ程度である。キャビテーションを発生させるには、水中で磁歪素子１２０を振動させることにより、水中で圧力分布を生じさせ、圧力が負圧となる箇所をつくりだす必要がある。よって、磁歪素子１２０は、ある限界値以上の周期で水を振動させる必要がある。
【００３８】
固定治具１３０は、複数の磁歪素子１２０を、特定の向きに固定するための治具である。固定治具１３０の材質は非磁性体であればよく、塑性体であるか、弾性体であるかを問わない。例えば、ゴムや、硬化性樹脂、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等が考えられる。
【００３９】
本実施の形態において、固定治具１３０には、複数の磁歪素子１２０の各々が、長手方向に同一の向きに固定されている。その際には、磁歪素子１２０の振動効率を低下させることがないように、磁歪素子１２０を固定治具１３０に固定することが望ましい。例えば、磁歪素子１２０の長手方向の中点で、固定治具１３０にビス留めし、又は、磁歪素子１２０の振動を妨げない、弾性材料を固定治具１３０に用いること等が考えられる。
【００４０】
図２は、磁歪素子１２０の具体例を示す外観図である。
図２（ａ）は、底面が１ｍｍ四方、長さが１０ｍｍの角柱状の磁歪素子１２０ａを示す。また、図２（ｂ）は、底面が直径１ｍｍ、長さが１０ｍｍの円柱状の磁歪素子１２０ｂを示す。
【００４１】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示されるように、本実施の形態に係る振動装置１００が備える磁歪素子１２０は、従来の振動装置９００が備える超磁歪材料と比較して非常に小型である。すなわち、本実施の形態に係る振動装置１００は、長さ数十ｃｍ程度の大型の柱状の磁歪素子を１つ使用する代わりに、数ミリ〜数センチ程度の小型の柱状の磁歪素子１２０を複数備えることが特徴となる。その理由は以下のとおりである。
【００４２】
従来の振動装置９００は、シリンダー９１４内部に閉じ込められた水中でキャビテーションを発生させる閉空間型の振動装置である。よって、超磁歪アクチュエータ９１０はピストンを駆動することでピストン・シリンダー閉空間にキャビテーションを発生させる。一方、本実施の形態に係る振動装置１００は、磁歪素子１２０を水中に沈め、水の外から非接触で励磁することにより、磁歪素子１２０の両端からキャビテーションを発生させる開空間型の振動装置となる。その結果、同じ底面積で比較すると、キャビテーションの発生効率が格段に向上する。よって、水中に沈めた複数の磁歪素子１２０を同一の交流磁場で同時に励磁することにより、従来と同程度以上のキャビテーションを発生可能な、より小型の振動装置を提供することができる。
【００４３】
そのためには、滅菌・不活性化の対象である水中に磁歪素子１２０を沈める必要があり、磁歪素子１２０は十分に小さくなければならない。
【００４４】
また、閉空間型の振動装置に必要な振動周波数（数十〜数百Ｈｚ）と比較し、開空間型では、水中で負圧を発生させるために必要な振動周波数（数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ）が格段に高くなる。ここで、磁歪素子１２０が交流磁場に応じて振動可能な振動周波数の上限は、細い磁歪素子１２０の方が高くすることができる。
【００４５】
さらに、一般に、磁性体にかかる磁場の大きさを急激に変化させた際には、電磁誘導効果により磁性体内に渦電流と呼ばれる渦状の電流が生じる。渦電流は周囲の磁場の変化を打ち消す向きに磁場を発生させるため、磁歪素子の振動効率を低下させる要因となる。この渦電流の大きさは、板厚（例えば、磁歪素子１２０の直径）の２乗に比例して大きくなるため、磁歪素子１２０の底面積を小さく（磁歪素子１２０を細く）することで、振動効率の低下を抑えることができる。
【００４６】
こうして、開空間型の振動装置として構成することにより、対象となる水を密閉する必要がなく、滅菌・不活性化の対象としたい水中に磁歪素子１２０を沈め、水の外から非接触に励磁することが可能となるため、キャビテーションの適用場面が広がるという利点も生じる。また、水中では、任意の方向に向けた複数の磁歪素子１２０を固定治具１３０に対して固定することができる。よって、例えば３次元的に全方向へ同時にキャビテーションを発生させることができる等、キャビテーションによって細菌の滅菌等を行う際の作業効率及び滅菌等の効果を向上させることができる。
【００４７】
なお、振動装置１００によりキャビテーションを発生させるためには、少なくとも１〜１０μｍ程度の幅で振動を発生させる必要があるため、磁歪素子１２０の長さは、少なくとも数ｍｍ〜１０ｍｍ程度のオーダーが必要である。
【００４８】
以上述べたように、本実施の形態に係る振動装置１００は、水中にキャビテーションを発生させる振動装置１００であり、複数の柱状の磁歪素子１２０と、複数の磁歪素子１２０を固定している非磁性体の固定治具１３０と、複数の磁歪素子１２０に対して、交流磁場をかける励磁装置１５０とを備えている。ここで、磁歪素子１２０は水中に設置され、励磁装置１５０は水の外に設置される。また、複数の磁歪素子１２０の各々は、長手方向に同一の向きに固定されている。
【００４９】
このように、本実施の形態に係る振動装置１００は、図２に示されるような小型の磁歪素子１２０を複数使用することにより、キャビテーションの発生効率を向上させることができる。
【００５０】
（実施の形態１の変形例）
なお、実施の形態１に係る振動装置１００では、複数の磁歪素子１２０の向きが同一であればよい。よって、固定治具への固定方法には、例えば以下に述べる変形例も考えられる。
【００５１】
図３は、本変形例における、複数の磁歪素子１２０の固定方法を示す図である。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一の符号を付け、詳細な説明を省略する。
【００５２】
固定治具２１０は、格子状に貫通孔が空けられた非磁性体（例えば、ゴム、合成樹脂、ＦＲＰなど）である。
【００５３】
図３に示されるように、複数の磁歪素子１２０が、長手方向に同一の向きに、かつ、固定治具２１０の面に対して垂直となるように、複数の貫通孔の少なくとも一部に通され、固定されている。
【００５４】
図４は、本変形例に係る固定治具２１０を備えた振動装置１００を用いて、キャビテーションによる水流の滅菌を行う利用場面を示す概念図である。
【００５５】
パイプ３２０には、一方向に水が流されており、その水流の向きに対して垂直となるように（すなわち、磁歪素子１２０の長手方向が水流の向きと一致するように）固定治具２１０がパイプ３２０内に固定されている。水は、固定治具２１０の貫通孔を通過し、固定治具２１０の左から右へ流れることができる。
【００５６】
ここで、励磁装置１５０から固定治具２１０を長手方向に貫くように交流磁場をかけると、固定治具２１０に固定された複数の磁歪素子１２０は一斉に振動し、その両端点を中心に、水中にキャビテーションが発生する。その結果、パイプ３２０を流れる水流に対して、滅菌及びウイルスの不活性化処理を施すことができる。
【００５７】
なお、本変形例では、パイプ３２０を挟んで２つのコイル１５１を備えた励磁装置１５０を使用しているが、上記のとおり、この２つのコイル１５１が出力する交流磁場の周期及び位相が一致するよう、２つのコイル１５１には、周期及び位相が一致する交流電流が流される。例えば、２つのコイル１５１の各々は、共通の交流電源１５２（図示なし）により駆動される。
【００５８】
この方式によると、パイプを流れる水中に直接キャビテーションを発生させることができるため、水の流れを止める必要がなく、大量の水に対して効率的に細菌の滅菌及びウイルスの不活性化を行うことができるという利点がある。
【００５９】
さらに、磁歪素子の長手方向と同一の向きに対して、特に強いキャビテーションを発生させることができる。よって、例えばパイプ内を流れる水流を浄化する場合において、水流の流れに沿ってキャビテーションを発生させることで、浄化効果を高めることができる。さらに、底面積が小さいために、水の流れに対する抵抗が小さく、水の流れ（層流）を乱しにくいという効果も生じる。
【００６０】
（実施の形態２）
実施の形態１及びその変形例に係る振動装置１００は、特定の向きに対してキャビテーションを発生させる。一方、本実施の形態に係る振動装置１００は、全周囲へ均等にキャビテーションを発生させる。
【００６１】
図５は、本実施の形態に係る振動装置１００の構成を示す図である。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一の符号を付け、詳細な説明を省略する。
【００６２】
図５に示されるように、本実施の形態に係る振動装置１００は、固定治具３３０でランダム方向に固定された複数の磁歪素子１２０と、複数のコイル１５１ａ〜コイル１５１ｄを有する励磁装置１５０とを備える。複数の磁歪素子１２０は、キャビテーションを発生させる対象である水中に浸されている。
【００６３】
固定治具３３０は、非磁性体の素材であって、水を通す形状であり、複数の磁歪素子１２０をランダム方向に固定可能な治具である。たとえば、固定治具３３０を非磁性体の素材でつくられたメッシュ状のかごとすることが考えられる。その場合、各かごの中に、ランダムな方向に磁歪素子１２０を詰めることで、磁歪素子１２０を固定することができる。また、固定治具３３０を非磁性体の金属ワイヤーメッシュ（例えば、金属たわしのようなもの）として、これに突き刺すようにして、複数の磁歪素子１２０を固定してもよい。
【００６４】
なお、ここでいう「ランダム」とは、厳密に数学的意味での乱数により決定された方向でなくとも、各々の磁歪素子１２０が不規則な方向に固定されていればよい。
【００６５】
図５に示されるように、本実施の形態に係る励磁装置１５０は、固定治具３３０を取り囲むように、４つのコイル１５１ａ〜コイル１５１ｄを９０度ずつずらして配置する。このとき、コイルの各々は、磁歪素子１２０及び固定治具３３０に対して、コイルの底面が相対するように配置される。
【００６６】
これらコイル１５１ａ〜コイル１５１ｄを備える励磁装置１５０は、水中に固定された複数の磁歪素子１２０に対して、同一周期、同一位相であり、かつ、対面位置にあるコイル同士で磁場の向きが同一となる交流磁場を発生させる。また、より好ましくは、コイル１５１ａ〜コイル１５１ｄは、異なる周波数、位相をもつ交流磁場によりランダムな方向に磁界を発生させてもよい。ランダムな方向の磁界を発生させることにより、ランダムな方向に固定された複数の磁歪素子１２０をより効率よく振動させ、磁歪素子１２０の両端からキャビテーションを発生させることができるためである。
【００６７】
これにより、全方向に対して１度にキャビテーションを発生させることができるため、滅菌・不活性化の時間を短縮し、また消費する電力をより省電力化することができる。また、固定治具３３０に封入された複数の磁歪素子１２０を、例えばカテーテルの先端に取り付け人体内に挿入し、又は、外科手術により患部に埋め込んだのち、外部から励磁する場合のように、キャビテーションを発生させるべき方向が事前に不明である場合にも、効率よく、人体へ負担を掛けずに治療することが可能となる。
【００６８】
なお、前述のとおり、本実施の形態に係るコイル１５１ａ〜コイル１５１ｄが発生させる磁場は、必ずしもすべて同位相でなくともよく、位相及び周波数が異なっていてもよい。
【００６９】
例えば、４つのコイルのうち、対面に位置する２つのコイルが発生させる磁場が同位相であり、かつ、一方のコイルの組が発生させる磁場と、他方のコイルの組が発生させる磁場とは、位相が９０度ずれていてもよい。より具体的には、例えばコイル１５１ａ〜コイル１５１ｄを同一の交流電源１５２（図示なし）に接続し、コイル１５１ｂとコイル１５１ｄには、さらに、交流電源１５２との間に位相が９０度ずれるようにコンデンサを挿入することなどが考えられる。これにより、固定治具３３０の周囲に回転磁場である交流磁場を発生させることができる。その結果、ランダムな向きに固定されている複数の磁歪素子１２０に対して、その各々を貫く向きに磁場をかけることができ、より効率的に磁歪素子１２０を振動させることができる。
【００７０】
また、コイル１５１ａ〜コイル１５１ｄが配置された平面に対して直交する平面上であって、固定治具３３０を取り囲む位置に、さらに４つのコイルを９０度ずつずらして配置してもよい。これにより、さらに正確に、磁歪素子１２０各々を貫く向きに磁場を発生させることができ、より効率的に磁歪素子１２０を振動させることができる。
【００７１】
なお、固定治具３３０は、図５では立方体として示されているが、球状や表面に凹凸のある形状等、複数の磁歪素子１２０を不規則な方向に固定でき、かつ、磁歪素子１２０の振動を妨げない形状であれば、他の任意の立体形状であってもよい。
【００７２】
（実施の形態３）
実施の形態２に係る振動装置１００は、複数の磁歪素子の各々を、長手方向に不規則な向きに固定することにより、多様な方向に対して同時にキャビテーションを発生させることを目的とした。一方、本実施の形態に係る振動装置１００は、１箇所にキャビテーションを集中させることで、滅菌・不活性化の能力を高めることを目的とする。
【００７３】
図６は、本実施の形態に係る振動装置１００の構成を示す図である。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一の符号を付け、詳細な説明を省略する。
【００７４】
図６に示されるように、本実施の形態に係る振動装置１００は、環状の固定治具２２０と、複数の磁歪素子１２０と、コイル１５１ａ〜コイル１５１ｄを有する励磁装置１５０とを備える。
【００７５】
複数の磁歪素子１２０の各々は、一方の端が固定治具２２０による環の中心方向を向くように、長手方向に放射状に、固定治具２２０へ固定されている。
【００７６】
これら複数の磁歪素子１２０が固定された固定治具２２０に対して、４つのコイル１５１ａ〜コイル１５１ｄは、同一の交流磁場を発生させることで、複数の磁歪素子１２０の各々を振動させる。その結果、磁歪素子１２０の両端を中心にキャビテーションが発生する。本実施の形態に係る振動装置１００では、磁歪素子１２０が放射状に配置されていることから、固定治具２２０による環の中心に、最も強い滅菌・不活性化作用が生じる。
【００７７】
このように、複数のキャビテーションを１箇所に集めることで、より強い滅菌・不活性化作用を生じる振動装置１００を実現できる。また、小型の対象物を殺菌するような用途では、励磁装置の出力をさらに低出力とし、また、磁歪素子の大きさをさらに小型にすることで、振動装置の大きさをより小さくすることができる。
【００７８】
なお、実施の形態３と同様に、本実施の形態に係る励磁装置１５０も、回転磁場を発生させることで、より効率よく、複数の磁歪素子１２０を振動させることができる。すなわち、コイル１５１ａ及びコイル１５１ｃからなるコイルの組と、コイル１５１ｂ及びコイル１５１ｄからなるコイルの組とで、９０度位相の異なる交流電流を加えることにより、図６に示されるような回転磁界を発生させることが好ましい。これにより、すべての方向の磁歪素子１２０を、より効率よく励磁し、振動させることができる。その結果、同程度のキャビテーションをより小型の振動装置１００によって発生させることができる。
【００７９】
また、本実施の形態に係る振動装置１００は、例えば図７に示されるような構成であってもよい。
【００８０】
図７は、実施の形態３に係る振動装置の他の構成を示す図である。
図７（ａ）に示されるように、磁歪素子１２０が、その長手軸が中心へ向かうよう環状に分散し配置される。ここで、図７（ｂ）にＡ−Ａ’の断面を示す。
【００８１】
図７（ｂ）に示されるように、異なる半径をもつ複数の同心円状のヨークを備えたコイルを上下から挟むように、上下２つの磁歪素子１２０が固定治具２２０に固定されている。コイルに交流電流を流すことで、例えば矢印で示されるように、磁歪素子１２０を長手方向に貫く向きに交流磁場が発生する。
【００８２】
ここで、上下の磁歪素子１２０では、磁界の向きが異なるが、同じ正の伸びが発生する。よって，振動子全部が中心へ向かうような音波を発生する。これにより、これよりキャビテーションの効果を中心に集中させることができる。よって、固定治具２２０の内側に入れられた水を、効率よく浄化することができる。
【００８３】
なお、固定治具２２０の外部においては，同心円に広がる音波を発生する。よって、固定治具２２０の外側に水がある場合（たとえば、振動装置１００が水に浸されている場合など）には、外側の水を浄化することもできる。よって、例えば、より浄化の必要性が高い水を固定治具２２０の内側に流し、浄化の必要性は劣るが量が大量の水を固定治具２２０の外側に流すことにより、１つの振動装置１００で、浄化の必要性が異なる２つの水流に対して浄化処理を施すことができる。
【００８４】
（実施の形態４）
次に、実施の形態１〜３で述べた振動装置１００を複数使用する浄化システムについて述べる。
【００８５】
図８は、本実施の形態に係る振動装置１００を備えた浄化システムの構成を示す図である。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一の符号を付け、詳細な説明を省略する。
【００８６】
図８に示されるように、浄化システム８００は、複数の振動装置１００と、タンク４１０と、パイプ４１１と、ポンプ４１２とを備える。タンク４１０に蓄えられた水は、ポンプ４１２によってパイプ４１１の中を循環する。また、複数の振動装置１００は、パイプ４１１の途中に設置される。
【００８７】
振動装置１００は、複数の磁歪素子１２０と、固定治具と、励磁装置１５０とを備える。
【００８８】
各々の振動装置１００は、例えば、実施の形態１〜３に係る振動装置１００のうちの、いずれかを使用してもよく、他の任意の振動装置を使用してもよい。
【００８９】
複数の振動装置１００を並べて使用することにより、パイプ４１１の形状や大きさにかかわらず、タンク４１０に蓄えられる水を浄化するために必要十分なキャビテーションを発生させることができる。すなわち、浄化システム８００のスケーラビリティを容易に確保することができる。
【００９０】
また、異なる配置の磁歪素子１２０を備える振動装置１００を組み合わせることにより、水流中に乱流を発生させにくい構造の浄化システム８００とすること等も考えられる。
【００９１】
一般に、パイプ４１１中に磁歪素子１２０を備えた固定治具を設置することで、水の流れが乱され、層流から乱流に変化することが考えられる。乱流の発生は、パイプ４１１の破損等につながるおそれがある。よって、例えば、パイプ４１１の直径が太い箇所や、一定方向への流れのないタンク４１０等では、浄化効率を優先して、磁歪素子１２０がランダムに突き出した、いびつな形状の振動装置１００（例えば実施の形態２）を設置し、パイプ４１１が細くなる、又は、折れ曲がる箇所に近づくにつれ、磁歪素子１２０が水流を乱しにくいように配置された振動装置１００（例えば実施の形態１）を設置することで浄化システム８００を構成してもよい。
【００９２】
なお、実施の形態１〜４及びその変形例に係る振動装置１００が備える励磁装置１５０の数は、例示であり、１以上の任意の数の励磁装置１５０を備えてよい。ただし、２台の励磁装置１５０によって発生する磁場の向きが、磁歪素子１２０が固定される位置において、各々逆向きとなることがないように、励磁装置１５０を配置する必要がある。磁場が弱まり、磁歪素子１２０が発生させるキャビテーションが減少することを防ぐためである。
【００９３】
また、実施の形態１〜４及びその変形例に係る固定治具の形状は例示である。例えば、実施の形態１の変形例に係る固定治具は、図３に平面形状として示されるが、必ずしも平面形状でなくともよい。例えば、図９に示される球体のように、厚みのある固定治具を用いてもよい。その場合、固定治具は、磁歪素子１２０の振動を妨げない、弾性体であることが望ましい。
【００９４】
また、実施の形態１〜４及びその変形例において、コイル１５１を複数使用する場合には、各々のコイル１５１が必ずしも別々の交流電源１５２に接続されずともよく、２つ以上のコイル１５１が１台の交流電源１５２を共有してもよい。
【００９５】
なお、実施の形態１〜４及びその変形例において、複数の磁歪素子１２０の少なくとも一部を、励磁装置１５０が備えるコイルの内側に配置してもよい。例えば、図４を参照して、励磁装置１５０は、複数の磁歪素子１２０が内部に設置されたパイプ３２０の外側に巻回されたコイル１５１を備えるとしてもよい。また、図８を参照して、複数の振動装置１００の各々が備える励磁装置１５０は、パイプ４１１の外側に巻回されたコイル１５１を備えるとしてもよい。一般にコイル内側に発生する磁界は、コイル外部に発生する磁界より、より強力であるため、より効率よく磁歪素子１２０を振動させることができる。
【００９６】
また、実施の形態１〜４及びその変形例に係る振動装置１００を、主に水の浄化（細菌の滅菌・ウイルスの不活性化）を目的とした装置として記載したが、本願発明は、その他にも超音波現象を利用する一般的な装置の代用として、広く利用可能である。たとえば、コンタクトレンズ及び眼鏡等の日用品の洗浄、機械部品の研磨・洗浄、非破壊検査装置、内視鏡やカテーテルの先端に取り付け患部の治療等を行うための医療器具等に適用してもよい。
【００９７】
また、上記図１〜図８において、各構成要素の角部及び辺を直線的に記載しているが、製造上の理由により、角部及び辺が丸みをおびたものも本発明に含まれる。
【００９８】
また、上記実施の形態１〜４及びその変形例に係る、振動装置１００の機能のうち少なくとも一部を組み合わせてもよい。
【００９９】
さらに、本発明の主旨を逸脱しない限り、本実施の形態１〜４及びその変形例に対して当業者が思いつく範囲内の変更を施した各種変形例も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、複数の磁歪素子を用いてキャビテーションを発生させる振動装置に適用できる。
【符号の説明】
【０１０１】
１００、９００ 振動装置
１２０、１２０ａ、１２０ｂ 磁歪素子
１３０、２１０、２２０、３３０ 固定治具
１５０ 励磁装置
１５１、１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ、１５１ｄ コイル
１５２ 交流電源
３２０、４１１ パイプ
４１０ タンク
４１２ ポンプ
８００ 浄化システム
９１０ 超磁歪アクチュエータ
９１３ ピストン
９１４ シリンダー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水の中にキャビテーションを発生させる振動装置であって、
複数の柱状の磁歪素子と、
前記複数の磁歪素子を固定している非磁性体の固定治具と、
前記複数の磁歪素子に対して、交流磁場をかけることで前記磁歪素子を振動させる励磁装置とを備えており、
前記磁歪素子は前記水の中に設置され、
前記励磁装置は前記水の外に設置される
振動装置。
【請求項２】
前記複数の磁歪素子の各々は、長手方向に同一の向きに固定されている
請求項１に記載の振動装置。
【請求項３】
前記複数の磁歪素子の各々は、長手方向に不規則な向きに固定され、
前記交流磁場は、回転磁場である
請求項１に記載の振動装置。
【請求項４】
前記複数の磁歪素子の各々は、長手方向に放射状に固定されている
請求項１に記載の振動装置。
【請求項５】
請求項１〜４の少なくとも１項に記載の振動装置を複数備える
浄化システム。
【請求項１】
水の中にキャビテーションを発生させる振動装置であって、
複数の柱状の磁歪素子と、
前記複数の磁歪素子を固定している非磁性体の固定治具と、
前記複数の磁歪素子に対して、交流磁場をかけることで前記磁歪素子を振動させる励磁装置とを備えており、
前記磁歪素子は前記水の中に設置され、
前記励磁装置は前記水の外に設置される
振動装置。
【請求項２】
前記複数の磁歪素子の各々は、長手方向に同一の向きに固定されている
請求項１に記載の振動装置。
【請求項３】
前記複数の磁歪素子の各々は、長手方向に不規則な向きに固定され、
前記交流磁場は、回転磁場である
請求項１に記載の振動装置。
【請求項４】
前記複数の磁歪素子の各々は、長手方向に放射状に固定されている
請求項１に記載の振動装置。
【請求項５】
請求項１〜４の少なくとも１項に記載の振動装置を複数備える
浄化システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１１５７６５（Ｐ２０１２−１１５７６５Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６７７０２（Ｐ２０１０−２６７７０２）
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（５０４１６０７８１）国立大学法人金沢大学 (282)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（５０４１６０７８１）国立大学法人金沢大学 (282)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]