超音波発振子およびこれを用いた超音波発生装置
【課題】耐腐食性に優れ、圧電素子からの超音波の反射を極力抑制し、超音波のエネルギーを効率よく被処理水中に伝播させることができる超音波発振子を提供する。
【解決手段】圧電素子と、圧電素子の少なくとも一部を覆いかつガラスで構成された反射防止膜と、で超音波発振子を構成する。
【解決手段】圧電素子と、圧電素子の少なくとも一部を覆いかつガラスで構成された反射防止膜と、で超音波発振子を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波発振子および超音波発生装置、特に活性汚泥の超音波処理に好適に用いることのできる超音波発振子および超音波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、下水廃水などの有機廃水を処理するための活性汚泥処理方法においては、活性汚泥の生物処理や可溶化処理を促進するために、超音波発生装置を用いた超音波処理ないし水処理が行われている。この超音波発生装置には、圧電素子（トランスデューサ）で構成された超音波発振子が設けられており、当該超音波発振子を処理槽中の汚泥に接触させ、超音波を汚泥中に伝搬させることによって超音波処理を行う。
【０００３】
ここで、従来の超音波発振子の構造について簡単に説明する。図５は、従来の超音波発振子を備え付けた超音波発生装置の構造を概念的に示す断面図である。この超音波発生装置１００の超音波処理槽１１０には、活性汚泥１１２が貯えられており、活性汚泥１１２に接触するように超音波発振子１１４が取り付けられている。
【０００４】
超音波発振子１１４は、圧電素子１１６とチタンで構成された超音波伝導部材１１８とを有し、超音波伝導部材１１８の部分が活性汚泥１１２と接触するように取り付けられている。これは、圧電素子１１６が直接活性汚泥１１２に接触すると、活性汚泥１１２との接触およびキャビテーションに起因する腐食によって破壊されてしまうからであり、また、超音波伝導部材１１８を構成するチタンは堅固で振動に強く、耐腐食性に優れ、活性汚泥１１２との接触およびキャビテーションによっても腐食しにくいからである。さらに、圧電素子の音響インピーダンスの値とチタンの音響インピーダンスの値は近く、後述する式（３）からもわかるように、圧電素子からチタンへのエネルギー透過率が約９９％と優れているためである。
【０００５】
また、例えば特許文献１に記載されているように、超音波振動子（圧電素子）の表面粗さを低減させるとともに表面硬度を上げ、さらに耐腐食性を向上させるために、圧電素子が液体と接触する面にメッキ層やチタン層などからなる複数の層を形成することも提案されている。
【０００６】
しかしながら、複数の層を形成すると、コストが高くなり、また、各層の厚さが数十μｍと非常に薄いため、表面層にキズができると、耐腐食性を保持することができなくなる。また、音響インピーダンスなどは考慮されておらず、固体内でのエネルギー効率は高く維持できたとしても、一般的に超音波は固体と液体との間の界面において反射するため、固体から液体への超音波の透過率は低くなる。そのため、超音波のエネルギーは次第に減衰し、効率的に被処理水中に伝播させることができないという問題がある。
【特許文献１】特開平１１−２６４０６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の目的は、特に活性汚泥処理法において好適に用いることができる超音波発振子であって、耐腐食性に優れるとともに、圧電素子からの超音波の反射を極力抑制し、それによって超音波のエネルギーを効率よく被処理水中に伝播させることができる超音波発振子、およびこれを用いた超音波発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、圧電素子からの超音波の反射を極力抑制することができれば、超音波の透過率を低減させることなくそのエネルギーを効率的に被処理水中に伝播させることができることに着目し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、被処理水を超音波処理に用いられる超音波発振子であって、圧電素子と、前記圧電素子の少なくとも一部を覆いかつガラスで構成された反射防止膜と、を具備することを特徴とする超音波発振子に関する。
【００１０】
ここで、上記圧電素子の少なくとも一部とは、少なくとも圧電素子から被処理水中に向かって超音波を発振する部分を含む。したがって、上記圧電素子の少なくとも超音波発振面が反射防止膜で覆われていればよい。また、圧電素子の全面が上記反射防止膜で覆われていてもよく、圧電素子において電極が接続されている部分を除く他の全ての面が上記反射防止膜で覆われていてもよい。
【００１１】
本発明の超音波発振子が使用される際には、圧電素子は被処理水には接触させず、反射防止膜のみを被処理水に接触させ、圧電素子から発振された超音波を当該反射防止膜を介して被処理水中に伝播させる。また、本発明における「被処理水」とは、例えば下水処理場や屎尿処理場などの下水処理プロセス、食品工場や化学工場などの排水処理プロセスなどから排出される「有機廃水」、有機廃水に本来的に含まれる微生物および有機排水を好気性生物処理する過程で発生した微生物を含み、排水処理の目的上必要とされる微生物量（好気性生物処理に必要とされる微生物量）を上まわる量の微生物を含む「汚泥」、半導体洗浄液など、従来から超音波処理に供されるすべての被処理水を含む概念である。
【００１２】
前記反射防止膜の厚さｄは、下記式（１）で表される透過率Ｔ≧５０（％）を満たす値であるのが好ましい。
【数１】
【００１３】
ただし、Ｚ1は圧電素子の音響インピーダンス（Ｎ・ｓ・ｍ-3）、Ｚ2は反射防止膜の音響インピーダンス（Ｎ・ｓ・ｍ-3）、Ｚ3は被処理水の音響インピーダンス（Ｎ・ｓ・ｍ-3）、λは反射防止膜中における超音波の波長（ｍ）である。なお、本発明において透過率Ｔを求める際には、Ｚ1、Ｚ2およびＺ3の値、ならびにｄおよびλの値は、それぞれの単位が同一となるようにそろえた値を使用する。
したがって、前記反射防止膜の厚さｄは、音響インピーダンスＺ1、Ｚ2、Ｚ3およびλ、すなわち圧電素子および反射防止膜を構成する材料の種類や、被処理水の状態など）によって決定される。
【００１４】
また、本発明における前記反射防止膜の音響インピーダンスＺ2は９．０×１０6〜２０．０×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3であるのが好ましく、前記反射防止膜の厚さｄは前記波長λの１／４であるのが好ましい。
また、前記反射防止膜と前記反射防止膜との間には、例えばチタンで構成された中間層を設けてもよい。
【００１５】
さらに本発明は、超音波処理槽と上記超音波発振子とを具備し、
前記反射防止膜の少なくとも一部が前記超音波処理槽の内部に位置し、前記圧電素子が前記超音波処理槽の外部に位置すること、を特徴とする超音波発生装置をも提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の超音波発振子および超音波発生装置によれば、反射防止膜を具備することにより、また、圧電素子および反射防止膜を構成する材料や反射防止膜の厚さを適宜調整することにより、圧電素子から発振された超音波の反射を極力抑制し、圧電素子から被処理水までの超音波の透過率を低減させることなく、そのエネルギーを効率よく被処理水中に伝播させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
［第一の実施形態］
図１は、本発明の超音波発振子を具備する超音波発生装置の第一の実施形態を概略的に示す断面図である。図１に示すように、本発明の超音波発生装置１の超音波処理槽１０には、被処理水である活性汚泥１２が貯えられており、活性汚泥１２に接触するように超音波発振子１４が取り付けられている。
【００１８】
超音波発振子１４は、圧電素子１６とガラスで構成された反射防止膜１８とを有し、圧電素子１６は超音波処理層１０の外部に位置し、反射防止膜１８の部分が活性汚泥１２と接触して超音波処理槽１０内に位置するように取り付けられている。すなわち、超音波発振子１４のうち、反射防止膜１８側の面が超音波発振面となる。これは、圧電素子１６が直接活性汚泥１２に接触すると、活性汚泥１２との接触およびキャビテーションに起因する腐食によって圧電素子１６破壊されてしまうからである。
【００１９】
反射防止膜１８の厚さｄは、上記式（１）で表される透過率Ｔ≧５０（％）を満たす値であるのが好ましい。これは、後述するように、従来の超音波発振子による超音波の透過率は２０％未満であったのに対し、本発明の超音波発振子においては当該透過率５０％以上を達成することができるためである。さらには７５％以上であるのが好ましい。
【００２０】
ここで、ある媒質中における音速（超音波の速度）をＣ、当該媒質の密度をρとした場合、音響インピーダンスＺは、下記式（２）で表される。また、下記の表１に、本発明の超音波発振子１４を構成する圧電素子１６および反射防止膜１８を構成する材料、ならびに従来の超音波発振子に用いられていた材料の音響インピーダンスを示す。
【数２】
【表１】
【００２１】
つぎに、圧電素子１６と反射防止膜１８とで構成されている本発明の超音波発振子１４において、超音波の反射が抑制され、圧電素子から活性汚泥１２までの超音波の透過率が従来に比べて飛躍的に向上することについて、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図２の（ａ）は、圧電素子が直接被処理水に接している場合を想定した図である。すなわち、音響インピーダンスの異なる２種の媒質Ａおよび媒質Ｂが直接接触しており、媒質Ａから媒質Ｂに超音波が伝播していく様子を概略的に示している。圧電素子にはチタンからなる超音波伝導部材もメッキ層やチタン層も設けられておらず、圧電素子から直接超音波が被処理水に入射される。
【００２３】
図２の（ａ）において、媒質Ａから媒質Ｂに対して垂直に超音波が入射した場合を想定すると、超音波の透過率ｔは、下記式（３）で表される。ただし、Ｚ1は媒質Ａの音響インピーダンスであり、Ｚ2は媒質Ｂの音響インピーダンスである。
【数３】
【００２４】
いま、媒質Ｂを水（被処理水）、媒質Ａを圧電素子の材料であるＳｉＯ2と想定した場合、ＳｉＯ2の音響インピーダンスＺ1が１５．２×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3であり、媒質Ｂの音響インピーダンスＺ2が１．５×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3であるから、透過率ｔは、式（３）から｛（４×１．５×１０6×１５．２×１０6）／（１５．２×１０6＋１．５×１０6）2｝×１００となり、約３３％となる。これは、圧電素子を直接被処理水に接触させた場合の、超音波の透過率を表している。
【００２５】
実際には、高エネルギーの超音波を発生させるためにＰＺＴを使用する必要があり、なかでもＰＺＴ−５を用いた場合には、上記式から透過率ｔは約１７．８％となってしまう。しかし、図２の（ａ）のような構成では、圧電素子が被処理水と直接接触するため、キャビテーションなどによって圧電素子が腐食し、破壊するという問題がある。
【００２６】
これに対し、従来の超音波発振子は、図２の（ｂ）に示すような構造を有している。すなわち、図２の（ｂ）は、音響インピーダンスの異なる３種の媒質Ａ、媒質Ｂおよび媒質Ｃが接触しており、媒質Ａから媒質Ｂを経て媒質Ｃに超音波が伝播していく様子を概略的に示す図である。これは、圧電素子（媒質Ａ）にチタンからなる超音波伝導部材（媒質Ｂ）が設けられた従来の超音波発振子を用いて、超音波を被処理水（媒質Ｃ）に入射させる場合を想定した図である。
なお、従来の超音波発振子においては、チタンからなる超音波伝導部材は、通常、表面積を大きくするために、超音波電導部材自体の大きさは電圧素子に比べ大きなものとなっている。このような場合、チタンからなる超音波電導部材は、膜というよりもむしろバルクに近いため、バルクとみなして上記式を利用して超音波のエネルギー透過率を求める。
【００２７】
図２の（ｂ）において、媒質Ａ（圧電素子）から媒質Ｂ（チタン）を介して媒質Ｃ（被処理水）に対して垂直に超音波が入射した場合を想定する。具体的には、媒質Ａを圧電素子の材料であるＰＺＴ−５、中間層である媒質Ｂをチタン、媒質Ｃを水と想定する。このとき、（１）圧電素子からチタンへの透過率ｔA-Bと、（２）チタンから水への透過率ｔB-Cと、を考慮する必要があり、表１の値を上記式（３）に代入すると、圧電素子からチタンへの透過率ｔA-Bは約９９％となるが、チタンから水への透過率ｔB-Cは約１９．７％となってしまう。したがって、全体としての透過率は約１９．５％（＝０．９９×１９．７）となってしまう。実際には、チタン中における超音波の減衰も考慮しなければならず、圧電素子からの超音波のエネルギーはほとんどチタン中において消費されてしまうことになる。
【００２８】
そこで、本発明においては、上記チタンの代わりに、超音波の反射を抑制してその透過率を向上させるべく、チタンに比べて小さい音響インピーダンスを有するガラスで構成された反射防止膜を用い、上記のような従来の技術が有する問題点を解消するのである。
【００２９】
すなわち、図２の（ｂ）において、媒質Ｂ（ガラス）からなる中間層の厚さをｄとすると、異種媒質境界における反射透過の考え方から、媒質Ａ（圧電素子）、媒質Ｂ（ガラス）および媒質Ｃ（被処理水）を透過する超音波のエネルギー透過率Ｔは、下記式（１）で表される。ただし、Ｚ1は圧電素子の音響インピーダンス、Ｚ2は媒質Ｂの音響インピーダンス、Ｚ3は媒質Ｃの音響インピーダンス、ｄは媒質Ｂの厚さ、λは媒質Ｂ中における超音波の波長である。
【数４】
【００３０】
この場合において、理論的には、ｄがλ／４で、Ｚ2が(Ｚ1Ｚ3)1/2のときに、Ｔが１となり、入射した超音波（入射波）がすべて透過することになる。そこで、ｄをλ／４に固定して、圧電素子の材料としてＰＺＴ−４（音響インピーダンス：３２．３×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3）、媒質Ｂ（すなわち反射防止膜）としてクラウンガラス(音響インピーダンス：１１．４×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3)を用いた場合を想定すると、超音波の透過率が約７９％となり、上述のように圧電素子のみからなる超音波発振子やチタンで構成された超音波伝導部材を有する超音波発振子を同一の電圧で振動させた場合に比べて、４倍以上のエネルギーを被処理水に入射し得ることがわかる。
【００３１】
以上のように、本発明の超音波発振子１４によれば、従来の超音波発振子に比して顕著な効果が得られることがわかる。従来の超音波発振子は、耐食性を持たせ、さらに、電圧素子から媒質Ｂへの超音波のエネルギー透過率を高くするという観点から、超音波伝導部材にチタンが利用され、また、表面積を大きくするために超音波伝導部材の寸法が大きくされており、超音波発振子ならびにこれを用いた超音波発生装置の規模が大きくなってしまうという問題がある。これに対し、本発明の超音波発振子においては、反射防止膜の厚さｄを、最適には上述のようにλ／４とすることによって最大の効果を発揮することができるため、超音波発振子および超音波発生装置のダウンサイジングに寄与し得るという効果を奏する。
なお、本発明のガラス製の反射防止膜に変えて、チタンを利用したとしても、上記式（１）から計算されるように、２０数％のエネルギー透過率しか得られないことが分かる。
【００３２】
反射防止膜１８の厚さｄは、上記式（１）で表される透過率Ｔが５０％以上となるように、超音波発振子１４から発振されて反射防止膜１８内を伝播する超音波の波長λ（周波数ｆ）、圧電素子１６の音響インピーダンスＺ1、反射防止膜１８の音響インピーダンスＺ2および被処理水の音響インピーダンスＺ3（すなわち、圧電素子１６、反射防止膜１８および被処理水の種類）に応じて、当業者であれば適宜選択することが可能である。また、超音波発振子およびこれを用いた超音波発生装置の用途に対応させて最適化することもできる。
【００３３】
なかでも、反射防止膜１８（すなわち反射防止膜１８を構成するガラス）の音響インピーダンスＺ2は、入手し易いガラスの種類等に鑑み、９．０×１０6〜２０．０×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3であるのが好ましく、更には１１．０×１０6〜１５．５×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3であるのが好ましく、また、反射防止膜１８の厚さｄは前記波長λの１／４であるのが好ましい。
音響インピーダンスＺ2が上記範囲にあって、反射防止膜１８の厚さｄが波長λの１／４であると、表１に示した汎用ガラスを用いつつ、反射を確実に抑制して超音波のエネルギーを被処理水に効率よく供給することができるとともに、超音波発振子１４の寸法を最も縮小することが可能である。
【００３４】
ここで、さらに反射防止膜の厚さｄについて検討する。上記のようにｄをλ／４に固定して、圧電素子の材料としてＰＺＴ−４（音響インピーダンス：３２．３×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3）、媒質Ｂ（すなわち反射防止膜）としてクラウンガラス(音響インピーダンス：１１．４×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3)を用いた場合、上記式（１）は下記式（４）のように変形することができ、上記式（４）は図３に示すグラフで表すことができる。図３において、縦軸は超音波の透過率Ｔを表し、横軸はｄ／λを表している。
【数５】
【００３５】
上記媒質Ｂを構成する本発明の反射防止膜は、超音波によるキャビテーションによって、腐食することが考えられる。そのため、かかる腐食をあらかじめ予測し、最初は当該反射防止膜の厚さをλ／４よりもわずかに厚くしておくのが好ましい。
そうすると、図３からわかるように、超音波の透過率Ｔはｄ＝λ／４をピークにして急激に減少するが、０．２３７≦（ｄ／λ）≦０．２６７となるように設定しておけば、超音波の透過率Ｔは最初５０％となり、腐食の進行に伴って超音波の透過率が増加する。そして、ｄ／λ＝０．２５において、約８０％と最大になる。その後、超音波の透過率Ｔは再び減少し、ｄ／λ＝０．２３７となったときに再び５０％となる。
【００３６】
以上のように、あらかじめ反射防止膜の厚さ（初期厚さ）を、超音波の透過率Ｔが最も高くなるときの厚さよりもわずか厚くしておくことで、反射防止膜の寿命をより長くすることが可能である。
なお、０．２３７≦（ｄ／λ）≦０．２６７の関係から、用いる超音波の周波数、反射防止膜の初期厚さ、および交換すべき時（即ち、透過率Ｔが約５０％にまで減少したときの）の厚さを表２に示す。
【表２】
【００３７】
なお、圧電素子１６としては、同じ電圧をかけた際に発生する超音波の振幅が大きい点から、ＰＺＴ素子を利用するのが好ましい。また、反射防止膜１８としては、水の音響インピーダンスの値に近い音響インピーダンスを有するものを利用するのが好ましい。具体的には音響インピーダンスが１３．１×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3以下のガラスを利用するのが好ましい。
【００３８】
また、反射防止膜１８内を伝搬させる超音波の波長λは、１５〜５０ｋＨｚであることが好ましい。これは、１５ｋＨｚ以上であると、被処理水として汚泥の超音波処理をする場合に、汚泥に与える影響が小さくなり過ぎず、汚泥中のフロックを分離・破壊し易いためであり、また、５０ｋＨｚ以下であると反射防止膜１８にかかる負担が大きくなり過ぎず、また、交換頻度を少なくできるためである。
【００３９】
以上のように、本実施形態の超音波発振子によれば、反射防止膜を具備することにより、また、圧電素子および反射防止膜を構成する材料や反射防止膜の厚さを適宜調整することにより、圧電素子から発振された超音波の反射を極力抑制し、圧電素子から被処理水までの超音波の透過率を低減させることなく、そのエネルギーを効率よく被処理水中に伝播させることができる超音波発振子ならびに超音波発生装置を確実に実現することができる。
【００４０】
加えて、本実施形態の超音波発振子によれば、キャビテーションによって圧電素子が破損することや、超音波の反射によるエネルギーロスを同時に防止することができ、また、ガラスで構成された反射防止膜がキャビテーションで侵されても、当該反射防止膜の部分だけを交換すればよく、ガラスで構成された反射防止膜は加熱により除去および形成が容易であるため、コスト的にも非常に有利である。
【００４１】
［第二の実施形態］
次に、本発明の超音波発振子を用いた超音波発生装置の第二の実施形態について説明する。この第二の実施形態の超音波発生装置は、図１に示した第一の実施形態の超音波発生装置１における超音波発振子１４に中間層２０を設けたものであり、中間層２０以外の構成は第一の実施形態の超音波発生装置１と同様である。
以下、第二の実施形態の超音波発生装置に備えられる超音波発振子（本発明の貯凹音波発振子）について説明する。
【００４２】
図４は、本発明の超音波発振子を具備する超音波発生装置の第二の実施形態を概略的に示す断面図である。図４に示すように、本実施形態の超音波発振子１４は、圧電素子１６とガラスで構成された反射防止膜１８とを有し、圧電素子１６と反射防止膜１８との間に中間層２０が設けられている。
【００４３】
この中間層２０は、超音波の反射を抑制してそのエネルギーを確実に被処理水に伝播させるという本発明の効果を損なわず、反射防止膜１８と圧電素子１６の接着層としての役割を果たすものである。特に圧電素子１６の形状はその製造工程および機能的側面から制限されるため、所望する形状を有する中間層２０を、規定の形状を有する圧電素子１６に設け、超音波処理層１０の形状や寸法に合わせて超音波発振子１４の先端部を適宜設計（表面加工）することができる。
【００４４】
また、圧電素子１６に直接ガラスを接着させて反射防止膜１８を形成する場合、ガラスが圧電素子１６に入り込んで圧電素子１６を破損してしまうおそれがある。したがって、上記のようにガラスを中間層２０の上にコーティングし、中間層２０を圧電素子１６に接着するのが好ましい。
【００４５】
ここで、中間層２０を構成する材料としては、上記式（１）および（３）に準じて、極力超音波を反射せずにその透過率を低減させないものを用いることが肝要である。このような材料としては、圧電素子１６の音響インピーダンスの値よりも低い音響インピーダンスを有し、ガラスの音響インピーダンスの値よりも高い音響インピーダンスを有するもの選ぶ必要があり、例えばチタン、アルミニウム、ジルコニウムなどが挙げられる。
なかでも、圧電素子１６の材料としてＰＺＴ−５を用い、中間層２０としてチタンを用いた場合、上記式（３）から、圧電素子１６から中間層２０への透過率は約９９％となり、さらにコスト、耐熱性の点からも、チタンを用いることが特に好ましい。
【００４６】
また、チタンで構成された中間層２０から、ガラスで構成された反射防止膜１８を経て被処理水（水）に及ぶ超音波の透過率は、上記式（１）および（３）を利用して求めると、約７３％となり、圧電素子とチタンで構成された超音波伝導部材とからなる従来の超音波発振子に比しても十分に優れた透過率を発揮する。また、中間層２０が十分薄い場合は、中間層２０によるエネルギーの反射をほとんど考えなくてよいため、同様に十分に優れた透過率を実現することができる。
【００４７】
以上のように、本実施形態の超音波発振子によっても、反射防止膜を具備することにより、また、圧電素子および反射防止膜を構成する材料や反射防止膜の厚さを適宜調整することにより、圧電素子から発振された超音波の反射を極力抑制し、圧電素子から被処理水までの超音波の透過率を低減させることなく、そのエネルギーを効率よく被処理水中に伝播させることができる超音波発振子ならびに超音波発生装置を確実に実現することができる。
【００４８】
加えて、本実施形態の超音波発振子によれば、キャビテーションによって圧電素子が破損することや、超音波の反射によるエネルギーロスを同時に防止することができ、また、ガラスで構成された反射防止膜がキャビテーションで侵されても、当該反射防止膜の部分だけを交換すればよく、ガラスで構成された反射防止膜は加熱により除去および形成が容易であるため、コスト的にも非常に有利である。
【００４９】
さらに、圧電素子と反射防止膜との間に中間層を設ける構成を採ることにより、超音波発振子全体としての形状や寸法の設計自由度が向上し、また、中間層に確実にガラスを接着して反射防止膜を形成し、当該中間層を圧電素子に接着することにより、圧電素子を損傷することなく超音波発振子を作製することができる。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。特に活性汚泥の超音波処理に用いる超音波発生装置について詳細に説明したが、本発明はその他の被処理水の超音波処理にも好適に用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の超音波発振子および超音波発生装置は、例えば下水処理場や屎尿処理場などの下水処理プロセス、食品工場や化学工場などの排水処理プロセスなどから排出される「有機廃水」、有機廃水に本来的に含まれる微生物および有機排水を好気性生物処理する過程で発生した微生物を含み、排水処理の目的上必要とされる微生物量（好気性生物処理に必要とされる微生物量）を上まわる量の微生物を含む「汚泥」、ならびに半導体洗浄液などの超音波処理に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の超音波発生装置の第一の実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】複数の媒質を伝播する超音波の透過率を説明するための図である。
【図３】本発明の超音波発振子における、超音波の透過率Ｔ（％）とｄ／λとの関係を表すグラフである。
【図４】本発明の超音波発生装置の第二の実施形態の構成を示す概略図である。
【図５】従来の超音波発生装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５３】
１、１００・・・超音波発生装置
１０、１１０・・・超音波処理槽
１２、１１２・・・活性汚泥
１４、１１４・・・超音波発振子
１６、１１６・・・圧電素子
１８・・・反射防止膜
２０・・・中間層
１１８・・・超音波伝導部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波発振子および超音波発生装置、特に活性汚泥の超音波処理に好適に用いることのできる超音波発振子および超音波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、下水廃水などの有機廃水を処理するための活性汚泥処理方法においては、活性汚泥の生物処理や可溶化処理を促進するために、超音波発生装置を用いた超音波処理ないし水処理が行われている。この超音波発生装置には、圧電素子（トランスデューサ）で構成された超音波発振子が設けられており、当該超音波発振子を処理槽中の汚泥に接触させ、超音波を汚泥中に伝搬させることによって超音波処理を行う。
【０００３】
ここで、従来の超音波発振子の構造について簡単に説明する。図５は、従来の超音波発振子を備え付けた超音波発生装置の構造を概念的に示す断面図である。この超音波発生装置１００の超音波処理槽１１０には、活性汚泥１１２が貯えられており、活性汚泥１１２に接触するように超音波発振子１１４が取り付けられている。
【０００４】
超音波発振子１１４は、圧電素子１１６とチタンで構成された超音波伝導部材１１８とを有し、超音波伝導部材１１８の部分が活性汚泥１１２と接触するように取り付けられている。これは、圧電素子１１６が直接活性汚泥１１２に接触すると、活性汚泥１１２との接触およびキャビテーションに起因する腐食によって破壊されてしまうからであり、また、超音波伝導部材１１８を構成するチタンは堅固で振動に強く、耐腐食性に優れ、活性汚泥１１２との接触およびキャビテーションによっても腐食しにくいからである。さらに、圧電素子の音響インピーダンスの値とチタンの音響インピーダンスの値は近く、後述する式（３）からもわかるように、圧電素子からチタンへのエネルギー透過率が約９９％と優れているためである。
【０００５】
また、例えば特許文献１に記載されているように、超音波振動子（圧電素子）の表面粗さを低減させるとともに表面硬度を上げ、さらに耐腐食性を向上させるために、圧電素子が液体と接触する面にメッキ層やチタン層などからなる複数の層を形成することも提案されている。
【０００６】
しかしながら、複数の層を形成すると、コストが高くなり、また、各層の厚さが数十μｍと非常に薄いため、表面層にキズができると、耐腐食性を保持することができなくなる。また、音響インピーダンスなどは考慮されておらず、固体内でのエネルギー効率は高く維持できたとしても、一般的に超音波は固体と液体との間の界面において反射するため、固体から液体への超音波の透過率は低くなる。そのため、超音波のエネルギーは次第に減衰し、効率的に被処理水中に伝播させることができないという問題がある。
【特許文献１】特開平１１−２６４０６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の目的は、特に活性汚泥処理法において好適に用いることができる超音波発振子であって、耐腐食性に優れるとともに、圧電素子からの超音波の反射を極力抑制し、それによって超音波のエネルギーを効率よく被処理水中に伝播させることができる超音波発振子、およびこれを用いた超音波発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、圧電素子からの超音波の反射を極力抑制することができれば、超音波の透過率を低減させることなくそのエネルギーを効率的に被処理水中に伝播させることができることに着目し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、被処理水を超音波処理に用いられる超音波発振子であって、圧電素子と、前記圧電素子の少なくとも一部を覆いかつガラスで構成された反射防止膜と、を具備することを特徴とする超音波発振子に関する。
【００１０】
ここで、上記圧電素子の少なくとも一部とは、少なくとも圧電素子から被処理水中に向かって超音波を発振する部分を含む。したがって、上記圧電素子の少なくとも超音波発振面が反射防止膜で覆われていればよい。また、圧電素子の全面が上記反射防止膜で覆われていてもよく、圧電素子において電極が接続されている部分を除く他の全ての面が上記反射防止膜で覆われていてもよい。
【００１１】
本発明の超音波発振子が使用される際には、圧電素子は被処理水には接触させず、反射防止膜のみを被処理水に接触させ、圧電素子から発振された超音波を当該反射防止膜を介して被処理水中に伝播させる。また、本発明における「被処理水」とは、例えば下水処理場や屎尿処理場などの下水処理プロセス、食品工場や化学工場などの排水処理プロセスなどから排出される「有機廃水」、有機廃水に本来的に含まれる微生物および有機排水を好気性生物処理する過程で発生した微生物を含み、排水処理の目的上必要とされる微生物量（好気性生物処理に必要とされる微生物量）を上まわる量の微生物を含む「汚泥」、半導体洗浄液など、従来から超音波処理に供されるすべての被処理水を含む概念である。
【００１２】
前記反射防止膜の厚さｄは、下記式（１）で表される透過率Ｔ≧５０（％）を満たす値であるのが好ましい。
【数１】
【００１３】
ただし、Ｚ1は圧電素子の音響インピーダンス（Ｎ・ｓ・ｍ-3）、Ｚ2は反射防止膜の音響インピーダンス（Ｎ・ｓ・ｍ-3）、Ｚ3は被処理水の音響インピーダンス（Ｎ・ｓ・ｍ-3）、λは反射防止膜中における超音波の波長（ｍ）である。なお、本発明において透過率Ｔを求める際には、Ｚ1、Ｚ2およびＺ3の値、ならびにｄおよびλの値は、それぞれの単位が同一となるようにそろえた値を使用する。
したがって、前記反射防止膜の厚さｄは、音響インピーダンスＺ1、Ｚ2、Ｚ3およびλ、すなわち圧電素子および反射防止膜を構成する材料の種類や、被処理水の状態など）によって決定される。
【００１４】
また、本発明における前記反射防止膜の音響インピーダンスＺ2は９．０×１０6〜２０．０×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3であるのが好ましく、前記反射防止膜の厚さｄは前記波長λの１／４であるのが好ましい。
また、前記反射防止膜と前記反射防止膜との間には、例えばチタンで構成された中間層を設けてもよい。
【００１５】
さらに本発明は、超音波処理槽と上記超音波発振子とを具備し、
前記反射防止膜の少なくとも一部が前記超音波処理槽の内部に位置し、前記圧電素子が前記超音波処理槽の外部に位置すること、を特徴とする超音波発生装置をも提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の超音波発振子および超音波発生装置によれば、反射防止膜を具備することにより、また、圧電素子および反射防止膜を構成する材料や反射防止膜の厚さを適宜調整することにより、圧電素子から発振された超音波の反射を極力抑制し、圧電素子から被処理水までの超音波の透過率を低減させることなく、そのエネルギーを効率よく被処理水中に伝播させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
［第一の実施形態］
図１は、本発明の超音波発振子を具備する超音波発生装置の第一の実施形態を概略的に示す断面図である。図１に示すように、本発明の超音波発生装置１の超音波処理槽１０には、被処理水である活性汚泥１２が貯えられており、活性汚泥１２に接触するように超音波発振子１４が取り付けられている。
【００１８】
超音波発振子１４は、圧電素子１６とガラスで構成された反射防止膜１８とを有し、圧電素子１６は超音波処理層１０の外部に位置し、反射防止膜１８の部分が活性汚泥１２と接触して超音波処理槽１０内に位置するように取り付けられている。すなわち、超音波発振子１４のうち、反射防止膜１８側の面が超音波発振面となる。これは、圧電素子１６が直接活性汚泥１２に接触すると、活性汚泥１２との接触およびキャビテーションに起因する腐食によって圧電素子１６破壊されてしまうからである。
【００１９】
反射防止膜１８の厚さｄは、上記式（１）で表される透過率Ｔ≧５０（％）を満たす値であるのが好ましい。これは、後述するように、従来の超音波発振子による超音波の透過率は２０％未満であったのに対し、本発明の超音波発振子においては当該透過率５０％以上を達成することができるためである。さらには７５％以上であるのが好ましい。
【００２０】
ここで、ある媒質中における音速（超音波の速度）をＣ、当該媒質の密度をρとした場合、音響インピーダンスＺは、下記式（２）で表される。また、下記の表１に、本発明の超音波発振子１４を構成する圧電素子１６および反射防止膜１８を構成する材料、ならびに従来の超音波発振子に用いられていた材料の音響インピーダンスを示す。
【数２】
【表１】
【００２１】
つぎに、圧電素子１６と反射防止膜１８とで構成されている本発明の超音波発振子１４において、超音波の反射が抑制され、圧電素子から活性汚泥１２までの超音波の透過率が従来に比べて飛躍的に向上することについて、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図２の（ａ）は、圧電素子が直接被処理水に接している場合を想定した図である。すなわち、音響インピーダンスの異なる２種の媒質Ａおよび媒質Ｂが直接接触しており、媒質Ａから媒質Ｂに超音波が伝播していく様子を概略的に示している。圧電素子にはチタンからなる超音波伝導部材もメッキ層やチタン層も設けられておらず、圧電素子から直接超音波が被処理水に入射される。
【００２３】
図２の（ａ）において、媒質Ａから媒質Ｂに対して垂直に超音波が入射した場合を想定すると、超音波の透過率ｔは、下記式（３）で表される。ただし、Ｚ1は媒質Ａの音響インピーダンスであり、Ｚ2は媒質Ｂの音響インピーダンスである。
【数３】
【００２４】
いま、媒質Ｂを水（被処理水）、媒質Ａを圧電素子の材料であるＳｉＯ2と想定した場合、ＳｉＯ2の音響インピーダンスＺ1が１５．２×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3であり、媒質Ｂの音響インピーダンスＺ2が１．５×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3であるから、透過率ｔは、式（３）から｛（４×１．５×１０6×１５．２×１０6）／（１５．２×１０6＋１．５×１０6）2｝×１００となり、約３３％となる。これは、圧電素子を直接被処理水に接触させた場合の、超音波の透過率を表している。
【００２５】
実際には、高エネルギーの超音波を発生させるためにＰＺＴを使用する必要があり、なかでもＰＺＴ−５を用いた場合には、上記式から透過率ｔは約１７．８％となってしまう。しかし、図２の（ａ）のような構成では、圧電素子が被処理水と直接接触するため、キャビテーションなどによって圧電素子が腐食し、破壊するという問題がある。
【００２６】
これに対し、従来の超音波発振子は、図２の（ｂ）に示すような構造を有している。すなわち、図２の（ｂ）は、音響インピーダンスの異なる３種の媒質Ａ、媒質Ｂおよび媒質Ｃが接触しており、媒質Ａから媒質Ｂを経て媒質Ｃに超音波が伝播していく様子を概略的に示す図である。これは、圧電素子（媒質Ａ）にチタンからなる超音波伝導部材（媒質Ｂ）が設けられた従来の超音波発振子を用いて、超音波を被処理水（媒質Ｃ）に入射させる場合を想定した図である。
なお、従来の超音波発振子においては、チタンからなる超音波伝導部材は、通常、表面積を大きくするために、超音波電導部材自体の大きさは電圧素子に比べ大きなものとなっている。このような場合、チタンからなる超音波電導部材は、膜というよりもむしろバルクに近いため、バルクとみなして上記式を利用して超音波のエネルギー透過率を求める。
【００２７】
図２の（ｂ）において、媒質Ａ（圧電素子）から媒質Ｂ（チタン）を介して媒質Ｃ（被処理水）に対して垂直に超音波が入射した場合を想定する。具体的には、媒質Ａを圧電素子の材料であるＰＺＴ−５、中間層である媒質Ｂをチタン、媒質Ｃを水と想定する。このとき、（１）圧電素子からチタンへの透過率ｔA-Bと、（２）チタンから水への透過率ｔB-Cと、を考慮する必要があり、表１の値を上記式（３）に代入すると、圧電素子からチタンへの透過率ｔA-Bは約９９％となるが、チタンから水への透過率ｔB-Cは約１９．７％となってしまう。したがって、全体としての透過率は約１９．５％（＝０．９９×１９．７）となってしまう。実際には、チタン中における超音波の減衰も考慮しなければならず、圧電素子からの超音波のエネルギーはほとんどチタン中において消費されてしまうことになる。
【００２８】
そこで、本発明においては、上記チタンの代わりに、超音波の反射を抑制してその透過率を向上させるべく、チタンに比べて小さい音響インピーダンスを有するガラスで構成された反射防止膜を用い、上記のような従来の技術が有する問題点を解消するのである。
【００２９】
すなわち、図２の（ｂ）において、媒質Ｂ（ガラス）からなる中間層の厚さをｄとすると、異種媒質境界における反射透過の考え方から、媒質Ａ（圧電素子）、媒質Ｂ（ガラス）および媒質Ｃ（被処理水）を透過する超音波のエネルギー透過率Ｔは、下記式（１）で表される。ただし、Ｚ1は圧電素子の音響インピーダンス、Ｚ2は媒質Ｂの音響インピーダンス、Ｚ3は媒質Ｃの音響インピーダンス、ｄは媒質Ｂの厚さ、λは媒質Ｂ中における超音波の波長である。
【数４】
【００３０】
この場合において、理論的には、ｄがλ／４で、Ｚ2が(Ｚ1Ｚ3)1/2のときに、Ｔが１となり、入射した超音波（入射波）がすべて透過することになる。そこで、ｄをλ／４に固定して、圧電素子の材料としてＰＺＴ−４（音響インピーダンス：３２．３×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3）、媒質Ｂ（すなわち反射防止膜）としてクラウンガラス(音響インピーダンス：１１．４×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3)を用いた場合を想定すると、超音波の透過率が約７９％となり、上述のように圧電素子のみからなる超音波発振子やチタンで構成された超音波伝導部材を有する超音波発振子を同一の電圧で振動させた場合に比べて、４倍以上のエネルギーを被処理水に入射し得ることがわかる。
【００３１】
以上のように、本発明の超音波発振子１４によれば、従来の超音波発振子に比して顕著な効果が得られることがわかる。従来の超音波発振子は、耐食性を持たせ、さらに、電圧素子から媒質Ｂへの超音波のエネルギー透過率を高くするという観点から、超音波伝導部材にチタンが利用され、また、表面積を大きくするために超音波伝導部材の寸法が大きくされており、超音波発振子ならびにこれを用いた超音波発生装置の規模が大きくなってしまうという問題がある。これに対し、本発明の超音波発振子においては、反射防止膜の厚さｄを、最適には上述のようにλ／４とすることによって最大の効果を発揮することができるため、超音波発振子および超音波発生装置のダウンサイジングに寄与し得るという効果を奏する。
なお、本発明のガラス製の反射防止膜に変えて、チタンを利用したとしても、上記式（１）から計算されるように、２０数％のエネルギー透過率しか得られないことが分かる。
【００３２】
反射防止膜１８の厚さｄは、上記式（１）で表される透過率Ｔが５０％以上となるように、超音波発振子１４から発振されて反射防止膜１８内を伝播する超音波の波長λ（周波数ｆ）、圧電素子１６の音響インピーダンスＺ1、反射防止膜１８の音響インピーダンスＺ2および被処理水の音響インピーダンスＺ3（すなわち、圧電素子１６、反射防止膜１８および被処理水の種類）に応じて、当業者であれば適宜選択することが可能である。また、超音波発振子およびこれを用いた超音波発生装置の用途に対応させて最適化することもできる。
【００３３】
なかでも、反射防止膜１８（すなわち反射防止膜１８を構成するガラス）の音響インピーダンスＺ2は、入手し易いガラスの種類等に鑑み、９．０×１０6〜２０．０×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3であるのが好ましく、更には１１．０×１０6〜１５．５×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3であるのが好ましく、また、反射防止膜１８の厚さｄは前記波長λの１／４であるのが好ましい。
音響インピーダンスＺ2が上記範囲にあって、反射防止膜１８の厚さｄが波長λの１／４であると、表１に示した汎用ガラスを用いつつ、反射を確実に抑制して超音波のエネルギーを被処理水に効率よく供給することができるとともに、超音波発振子１４の寸法を最も縮小することが可能である。
【００３４】
ここで、さらに反射防止膜の厚さｄについて検討する。上記のようにｄをλ／４に固定して、圧電素子の材料としてＰＺＴ−４（音響インピーダンス：３２．３×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3）、媒質Ｂ（すなわち反射防止膜）としてクラウンガラス(音響インピーダンス：１１．４×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3)を用いた場合、上記式（１）は下記式（４）のように変形することができ、上記式（４）は図３に示すグラフで表すことができる。図３において、縦軸は超音波の透過率Ｔを表し、横軸はｄ／λを表している。
【数５】
【００３５】
上記媒質Ｂを構成する本発明の反射防止膜は、超音波によるキャビテーションによって、腐食することが考えられる。そのため、かかる腐食をあらかじめ予測し、最初は当該反射防止膜の厚さをλ／４よりもわずかに厚くしておくのが好ましい。
そうすると、図３からわかるように、超音波の透過率Ｔはｄ＝λ／４をピークにして急激に減少するが、０．２３７≦（ｄ／λ）≦０．２６７となるように設定しておけば、超音波の透過率Ｔは最初５０％となり、腐食の進行に伴って超音波の透過率が増加する。そして、ｄ／λ＝０．２５において、約８０％と最大になる。その後、超音波の透過率Ｔは再び減少し、ｄ／λ＝０．２３７となったときに再び５０％となる。
【００３６】
以上のように、あらかじめ反射防止膜の厚さ（初期厚さ）を、超音波の透過率Ｔが最も高くなるときの厚さよりもわずか厚くしておくことで、反射防止膜の寿命をより長くすることが可能である。
なお、０．２３７≦（ｄ／λ）≦０．２６７の関係から、用いる超音波の周波数、反射防止膜の初期厚さ、および交換すべき時（即ち、透過率Ｔが約５０％にまで減少したときの）の厚さを表２に示す。
【表２】
【００３７】
なお、圧電素子１６としては、同じ電圧をかけた際に発生する超音波の振幅が大きい点から、ＰＺＴ素子を利用するのが好ましい。また、反射防止膜１８としては、水の音響インピーダンスの値に近い音響インピーダンスを有するものを利用するのが好ましい。具体的には音響インピーダンスが１３．１×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3以下のガラスを利用するのが好ましい。
【００３８】
また、反射防止膜１８内を伝搬させる超音波の波長λは、１５〜５０ｋＨｚであることが好ましい。これは、１５ｋＨｚ以上であると、被処理水として汚泥の超音波処理をする場合に、汚泥に与える影響が小さくなり過ぎず、汚泥中のフロックを分離・破壊し易いためであり、また、５０ｋＨｚ以下であると反射防止膜１８にかかる負担が大きくなり過ぎず、また、交換頻度を少なくできるためである。
【００３９】
以上のように、本実施形態の超音波発振子によれば、反射防止膜を具備することにより、また、圧電素子および反射防止膜を構成する材料や反射防止膜の厚さを適宜調整することにより、圧電素子から発振された超音波の反射を極力抑制し、圧電素子から被処理水までの超音波の透過率を低減させることなく、そのエネルギーを効率よく被処理水中に伝播させることができる超音波発振子ならびに超音波発生装置を確実に実現することができる。
【００４０】
加えて、本実施形態の超音波発振子によれば、キャビテーションによって圧電素子が破損することや、超音波の反射によるエネルギーロスを同時に防止することができ、また、ガラスで構成された反射防止膜がキャビテーションで侵されても、当該反射防止膜の部分だけを交換すればよく、ガラスで構成された反射防止膜は加熱により除去および形成が容易であるため、コスト的にも非常に有利である。
【００４１】
［第二の実施形態］
次に、本発明の超音波発振子を用いた超音波発生装置の第二の実施形態について説明する。この第二の実施形態の超音波発生装置は、図１に示した第一の実施形態の超音波発生装置１における超音波発振子１４に中間層２０を設けたものであり、中間層２０以外の構成は第一の実施形態の超音波発生装置１と同様である。
以下、第二の実施形態の超音波発生装置に備えられる超音波発振子（本発明の貯凹音波発振子）について説明する。
【００４２】
図４は、本発明の超音波発振子を具備する超音波発生装置の第二の実施形態を概略的に示す断面図である。図４に示すように、本実施形態の超音波発振子１４は、圧電素子１６とガラスで構成された反射防止膜１８とを有し、圧電素子１６と反射防止膜１８との間に中間層２０が設けられている。
【００４３】
この中間層２０は、超音波の反射を抑制してそのエネルギーを確実に被処理水に伝播させるという本発明の効果を損なわず、反射防止膜１８と圧電素子１６の接着層としての役割を果たすものである。特に圧電素子１６の形状はその製造工程および機能的側面から制限されるため、所望する形状を有する中間層２０を、規定の形状を有する圧電素子１６に設け、超音波処理層１０の形状や寸法に合わせて超音波発振子１４の先端部を適宜設計（表面加工）することができる。
【００４４】
また、圧電素子１６に直接ガラスを接着させて反射防止膜１８を形成する場合、ガラスが圧電素子１６に入り込んで圧電素子１６を破損してしまうおそれがある。したがって、上記のようにガラスを中間層２０の上にコーティングし、中間層２０を圧電素子１６に接着するのが好ましい。
【００４５】
ここで、中間層２０を構成する材料としては、上記式（１）および（３）に準じて、極力超音波を反射せずにその透過率を低減させないものを用いることが肝要である。このような材料としては、圧電素子１６の音響インピーダンスの値よりも低い音響インピーダンスを有し、ガラスの音響インピーダンスの値よりも高い音響インピーダンスを有するもの選ぶ必要があり、例えばチタン、アルミニウム、ジルコニウムなどが挙げられる。
なかでも、圧電素子１６の材料としてＰＺＴ−５を用い、中間層２０としてチタンを用いた場合、上記式（３）から、圧電素子１６から中間層２０への透過率は約９９％となり、さらにコスト、耐熱性の点からも、チタンを用いることが特に好ましい。
【００４６】
また、チタンで構成された中間層２０から、ガラスで構成された反射防止膜１８を経て被処理水（水）に及ぶ超音波の透過率は、上記式（１）および（３）を利用して求めると、約７３％となり、圧電素子とチタンで構成された超音波伝導部材とからなる従来の超音波発振子に比しても十分に優れた透過率を発揮する。また、中間層２０が十分薄い場合は、中間層２０によるエネルギーの反射をほとんど考えなくてよいため、同様に十分に優れた透過率を実現することができる。
【００４７】
以上のように、本実施形態の超音波発振子によっても、反射防止膜を具備することにより、また、圧電素子および反射防止膜を構成する材料や反射防止膜の厚さを適宜調整することにより、圧電素子から発振された超音波の反射を極力抑制し、圧電素子から被処理水までの超音波の透過率を低減させることなく、そのエネルギーを効率よく被処理水中に伝播させることができる超音波発振子ならびに超音波発生装置を確実に実現することができる。
【００４８】
加えて、本実施形態の超音波発振子によれば、キャビテーションによって圧電素子が破損することや、超音波の反射によるエネルギーロスを同時に防止することができ、また、ガラスで構成された反射防止膜がキャビテーションで侵されても、当該反射防止膜の部分だけを交換すればよく、ガラスで構成された反射防止膜は加熱により除去および形成が容易であるため、コスト的にも非常に有利である。
【００４９】
さらに、圧電素子と反射防止膜との間に中間層を設ける構成を採ることにより、超音波発振子全体としての形状や寸法の設計自由度が向上し、また、中間層に確実にガラスを接着して反射防止膜を形成し、当該中間層を圧電素子に接着することにより、圧電素子を損傷することなく超音波発振子を作製することができる。
【００５０】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。特に活性汚泥の超音波処理に用いる超音波発生装置について詳細に説明したが、本発明はその他の被処理水の超音波処理にも好適に用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の超音波発振子および超音波発生装置は、例えば下水処理場や屎尿処理場などの下水処理プロセス、食品工場や化学工場などの排水処理プロセスなどから排出される「有機廃水」、有機廃水に本来的に含まれる微生物および有機排水を好気性生物処理する過程で発生した微生物を含み、排水処理の目的上必要とされる微生物量（好気性生物処理に必要とされる微生物量）を上まわる量の微生物を含む「汚泥」、ならびに半導体洗浄液などの超音波処理に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の超音波発生装置の第一の実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】複数の媒質を伝播する超音波の透過率を説明するための図である。
【図３】本発明の超音波発振子における、超音波の透過率Ｔ（％）とｄ／λとの関係を表すグラフである。
【図４】本発明の超音波発生装置の第二の実施形態の構成を示す概略図である。
【図５】従来の超音波発生装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５３】
１、１００・・・超音波発生装置
１０、１１０・・・超音波処理槽
１２、１１２・・・活性汚泥
１４、１１４・・・超音波発振子
１６、１１６・・・圧電素子
１８・・・反射防止膜
２０・・・中間層
１１８・・・超音波伝導部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理水の超音波処理に用いるための超音波発振子であって、
圧電素子と、前記圧電素子の少なくとも一部を覆いかつガラスで構成された反射防止膜と、を具備することを特徴とする超音波発振子。
【請求項２】
前記反射防止膜の厚さｄが、下記式（１）で表される透過率Ｔ≧５０（％）を満たす値であること、を特徴とする請求項１記載の超音波発振子。
【数１】
［ただし、Ｚ1は圧電素子の音響インピーダンス（Ｎ・ｓ・ｍ-3）、Ｚ2は反射防止膜の音響インピーダンス（Ｎ・ｓ・ｍ-3）、Ｚ3は被処理水の音響インピーダンス（Ｎ・ｓ・ｍ-3）、λは反射防止膜中における超音波の波長（ｍ）］
【請求項３】
前記反射防止膜の厚さｄが、上記式（１）で表される透過率Ｔ≧７５（％）を満たす値であること、を特徴とする請求項２記載の超音波発振子。
【請求項４】
前記反射防止膜の音響インピーダンスＺ2が９．０×１０6〜２０．０×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3であること、を特徴とする請求項２または３記載の超音波発振子。
【請求項５】
前記反射防止膜の厚さｄが前記波長λの１／４であること、を特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の超音波発振子。
【請求項６】
前記反射防止膜と前記反射防止膜との間に中間層を具備すること、を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超音波発振子。
【請求項７】
前記中間層がチタンで構成されていること、を特徴とする請求項６記載の超音波発振子。
【請求項８】
超音波処理槽と請求項１〜７のいずれかに記載の超音波発振子とを具備し、
前記反射防止膜の少なくとも一部が前記超音波処理槽の内部に位置し、前記圧電素子が前記超音波処理槽の外部に位置すること、を特徴とする超音波発生装置。
【請求項１】
被処理水の超音波処理に用いるための超音波発振子であって、
圧電素子と、前記圧電素子の少なくとも一部を覆いかつガラスで構成された反射防止膜と、を具備することを特徴とする超音波発振子。
【請求項２】
前記反射防止膜の厚さｄが、下記式（１）で表される透過率Ｔ≧５０（％）を満たす値であること、を特徴とする請求項１記載の超音波発振子。
【数１】
［ただし、Ｚ1は圧電素子の音響インピーダンス（Ｎ・ｓ・ｍ-3）、Ｚ2は反射防止膜の音響インピーダンス（Ｎ・ｓ・ｍ-3）、Ｚ3は被処理水の音響インピーダンス（Ｎ・ｓ・ｍ-3）、λは反射防止膜中における超音波の波長（ｍ）］
【請求項３】
前記反射防止膜の厚さｄが、上記式（１）で表される透過率Ｔ≧７５（％）を満たす値であること、を特徴とする請求項２記載の超音波発振子。
【請求項４】
前記反射防止膜の音響インピーダンスＺ2が９．０×１０6〜２０．０×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3であること、を特徴とする請求項２または３記載の超音波発振子。
【請求項５】
前記反射防止膜の厚さｄが前記波長λの１／４であること、を特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の超音波発振子。
【請求項６】
前記反射防止膜と前記反射防止膜との間に中間層を具備すること、を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の超音波発振子。
【請求項７】
前記中間層がチタンで構成されていること、を特徴とする請求項６記載の超音波発振子。
【請求項８】
超音波処理槽と請求項１〜７のいずれかに記載の超音波発振子とを具備し、
前記反射防止膜の少なくとも一部が前記超音波処理槽の内部に位置し、前記圧電素子が前記超音波処理槽の外部に位置すること、を特徴とする超音波発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−２２３９９３（Ｐ２００６−２２３９９３Ａ）
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−４０８６６（Ｐ２００５−４０８６６）
【出願日】平成１７年２月１７日（２００５．２．１７）
【出願人】（０００１９２５９０）株式会社神鋼環境ソリューション (534)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月１７日（２００５．２．１７）
【出願人】（０００１９２５９０）株式会社神鋼環境ソリューション (534)
【Ｆターム（参考）】
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