筑波学院大学紀要第16集35 ～ 46 ページ

2021年

水素微小気泡を用いた水中ディスプレイの電極構造
秋廣誠＊・佐野司＊

Electrode Structure in Underwater Display with Hydrogen Micro Bubble
Makoto Akihiro ＊ and Tsukasa Sano ＊抄録

筆者らは、流体力学の実験で用いられる水素気泡法の特徴に着目し、微小気泡群により 2 次元画像を表示するシステムの技術基盤を構築している。水中の気泡を利用したメディア芸術や3D 表示システムはすでに多くが提案されているが、いずれも装置然としており、柔軟な実装を実現できるものは無い。筆者らは、水素気泡法が本質的に備える単純さを損なうことなく、2次元の画像情報を表示できるシステムの考案を提出している。本稿では、本システムの実現に不可欠な要素のなかでも、カソード（陰極）の配列の構成と、生成される気泡群の拡散との関係について議論し、実験装置を用いて気泡を観察した。観察を踏まえ、本考案の有効性と、カソード配列の課題点について確認した。
キーワード：Media Art, Fluid Dynamics, Hydrogen Micro-Bubble Method,Underwater Display

1 ．はじめにで、本システムの実現に不可欠な要素について、予備実験等で得られた知見を踏まえて、筆者らは、流体力学の実験で用いられる水気泡の振る舞いを中心に議論する。さらに、

素気泡法の原理を用いた、水中に情報を表示実験装置によって気泡を観察することで、気するシステムの技術基盤を構築しており、そ泡による図像が視認できる条件等を検討すの考案を提出している 。水中の気泡を利用る。最後に本システムの表現メディアとしてしたメディア芸術や3D 表示システムはすでの有用性や制約について議論する。

1）に多くが提案されているが、仕組みが大がかりであるか、あるいは装置然としている。本

2 ．関連研究

研究構想では、水素気泡法が本質的に備える単純さを損なうことなく、情報を表示できるシステムを目指している。

提案されている。これらをメディア芸術系と本稿では、関連研究と本考案の違いを述べながら、本研究の位置付けを議論する。次い＊

気泡や流体を用いた様々な情報表示方法が3D 表示デバイス系に分けて述べ、それらを踏まえた上で、本研究に関して述べる。

筑波学院大学経営情報学部、Tsukuba Gakuin University

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2 ．1 ．メディア芸術志向する。すなわち、水素気泡表示システ

現代のメディア芸術の分野において、日常ムを「仕組み」として具現化することを志向的なモチーフや自然現象を契機とした表現がし、多様な形相を持つ「水」にイメージ表示様々に実践されている。その中でも、水を利の環境を求める。また、気泡が水中で躍動し用する提案として、鈴木らは、複数の垂直方たり、霧散したりする視覚的な意外性を有し向の水路に気泡を積極的に浮上させ2D 像をたまま、情報を表示できるようにする。

2）生成させる作品を発表している 。現象そのものを鑑賞する研究としては、関根らが、オ3 ．水素気泡によるディスプレイ

イルの熱対流の分布を積極的に制御して、特3）異な視覚表現を実現している 。

本考案は、水素気泡法を応用したものである。本章では、水素気泡法のあらましと、本2 ．2 ．3D ディスプレイ

研究の表示法の主要な要素について述べる。

一方で、VR・MR を含む ICT の発展と平行して、例えば3D ディスプレイにおける焦3 ．1 ．水素気泡法

点調整と運動視差の課題の解決手段として、水素気泡法

6）

は、流体力学の実験等で用水に注目する動向がある。例えば Nakayama

いられる可視化法であり、液体の流れの追跡らは、周期的に減圧する水槽内へのレーザーに用いられる手法である。流れを追跡し観測照射による、3D 映像生成技術を開発していする為に流体に添加される物質や現象をト

4）

る 。Kumagai らは、静置したグリセリンレーサと呼ぶ。線香の煙からアルミ粉末、プにレーザーを照射して3D 像を生成させていラズマまで、用途に応じて様々な物や現象がる 。いずれもアニメーションに必要な描トレーサに成り得る。水素気泡法は、電気分画のリフレッシュ動作を念頭においており、解で発生する微小水素気泡が、浮力の影響を3D を表示させる各ピクセルにはレーザーで受けにくく、液体中の流れに沿い、なおかつアクセスさせるという高度な技術が要求され光を反射する、という性質をトレーサとしてる。しかし、これらに類する研究の必然とし利用するポピュラーな流体可視化法であり、て「装置化」の傾向があることを指摘でき電極形状や気泡発生のタイミングをアレンジる。たとえば、鈴木による作品では、水槽内できる、という汎用性を備える。その一例をの液体の種類には制約が無い一方で、気泡を図 1 に示した。

5）

それ自身の浮力で所定の経路上を上昇させる為に、専用に設計された水路が必要である。

3 ．2 ．回流法と掃引法

Nakayama ら、 並 び に Kumagai ら の 研 究 で

水素気泡法は、水と電極を相対的に運動さは、水槽下部にレーザー発振器や偏向機器、せ、気泡を電極から分離させることを原理と圧力制御装置などの機器が必要であるのみなする。本考案での表示方式は、相対運動の方らず、表示部である水槽内の成分構成はクリ法で 2 通りに大別できる。まず、（ 1 ）流れティカルであり、水槽と装置は密接に関係しの中に、電極を静置させる場合であり、河川なければならない。

等への実装を想定するものである。実験レベ
ルでは回流式水槽などが必要である。 2 つめ

2 ．3 ．本研究構想の志向は（ 2 ）静置された水の中に，レール等で電本研究構想は、表示の高品質化や安定性極を掃引する場合であり、池や水族館の水槽よりも、環境の特性に応じた柔軟な実装をへの実装を想定するものである。また、電極─ 36 ─

秋廣誠・佐野司：水素微小気泡を用いた水中ディスプレイの電極構造の掃引構造が必要である。本研究構想では、と浮上速度が大きくなり、流体可視化の機（ 1 ）を想定した実験を「回流法」と、（ 2 ）能は損なわれる。一方、気泡の径が小さいを「掃引法」と呼称する（図 2 ）。と、照明を強くする必要がある。水素気泡法
では、線径は0.01mm～0.2mm 程度が用いら

3 ．3 ．掃引と気泡の大きさ
水中に没した陰極の表面からは、電気分解により水素の気泡が生じる。気泡を流体の可視化に用いるときは、電極が流れを乱さないように、一定のテンションをかけた細線を電極として用いる。細線表面に生じた気泡は流れによって直ちに離脱し、下流に進む。気泡に照明を当てて観察することで、流れを可視化する。細線表面の気泡の離脱と密集の度合は、流れの速さ、電流、線径によって変化する。離脱が速やかに行われないと、隣接する

図3

低速での掃引による太目のカソードから離脱する水素気泡の様子のスケッチ

図4

断続するカソード電圧による気泡のス
ケッチ

図5

電極表面での気泡の成長を抑制するよ
うな条件で掃引した際の気泡の様子

微小気泡同士が合体しながら離脱することになり、気泡の径は大きくなる。気泡が大きい

図1

図2

円筒型の支柱背後に生じた渦を水素気泡法で可視化した様子（筆者による実験）

水と電極の相対的な運動により、表示方式を2 種類に大別できる

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れるようである。図 3 は、水素気泡法の適用ある。カソード配列は、水素気泡を同時に、範囲としては低速な掃引において（30mm/且つ個別に複数発生させるために、階段状にs 程度）、比較的太い線径（Φ0.3mm）のカ配列されている。CA はカソード（陰極）とソードから離脱する気泡の側面からの観察結電線を含む平面であり、水中に没している。

果を、写真等をもとに筆者がスケッチしたもCA はレールなどの案内により水中を直線移のである。同じ条件において陰極電圧を増や動できる。移動方向は D で示した。鑑賞者

すか、水中の塩分濃度を増やすなどすると、は図の上部から下部を見下ろすように観察す気泡はさらに成長するようになった。図 4る。ある時点で CA は図中の Pos に位置しての上部は、線径Φ0.3mm 電線を G（1mm 程いる。CA が Pos から Pos＇ に移動する過程で、度）の間隔で 5 本ならべ CA とし、一番上のカソードは個々に所要のタイミングでシート電極のみをカソードとして電圧をかけて、さ状の水素気泡群を発生する。気泡の径は十分らに電圧は、図中央の RasterData のようなに微小であることが期待される。図では便宜

断続的な波形であるときの気泡の様子を、写のため、気泡が発生していない箇所はグレー

真等をもとにスケッチしたものである。こので、発生している箇所は黒で示しているが、とき気泡シートは RasterData に応じて縞模

実際は黒の箇所のみ気泡が発生し、照明によ様として生じることが期待される。しかし微り白い点の集合のように見える。図では気泡小な気泡は水中で拡散して、気泡の中にはカの集合がカタカナの「イ」の字を構成するとソードの高さよりも下がるものも観察されころを示している。

た。一方成長した気泡は微小気泡よりも乱れCA すなわち気泡発生部の詳細を図 7 を用の影響が少ないエリアに浮上していると推察いて説明する。CA では Lane の数だけ被覆される。図 4 の下部は、2 本の電線（線径Φ電線を横断させ、導体の一部を露出させた0.3mm）を10mm 程度の間隔を開けて平行に箇所で電気分解を発生させ、気泡を生じさ張り、上側の電線をカソードとして 1 ％の塩せる。図中の Canvas_W は、すべての Lane

水中を250mm/s 程度で掃引して得られた気が成す幅であって、水中での描画の幅とな泡の様子を、写真等をもとにスケッチしたもる。G は電線間のギャップ長であり、電極のであり、図 5 は、同じ条件で手動で掃引し間の電気的耐圧などの要因から決定される。

た際の写真である。

Breadth は G*（Lane 数 -1） で あ る。P はLane あたりの気泡シートの幅である。a、b は、

3 ．4 ．掃引型ディスプレイ

気泡発生部の詳細であり、a は被覆部（絶縁

この節では掃引型ディスプレイの考案を説明する。図 6 は、掃引型の概略を示した図で図6部）、b は被覆を剥離した導通部、すなわち水素気泡が発生する箇所である。

掃引型ディスプレイの概略

図7

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カソード配列（気泡発生部）の概略

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誠・佐野司：水素微小気泡を用いた水中ディスプレイの電極構造

3 ．5 ．カソードのチルト角θ t察する。θ t が小さいとき、水中の気泡シー

この節では気泡発生部と鉛直線が成す角度
θ t（チルト角）の作用ついて考察する。

トは、他 Lane の電線等からは十分離れることができ、電線によって擾乱されにくくなる

まずθ t の概要を説明する。図 8 は、CA一方で、CA が掃引方向に対して作る流れのを含む気泡発生部である。まず、Vp は鑑賞抵抗が、CA の前方、後方に圧力差を生じさ者の視線方向である。Vd は水面に対する鉛せ、CA 背後に擾乱を生じさせるであろう。

直線である。さて、水中に気泡シートで情報また、CA の掃引方向の長さは、鑑賞者からを表示するために、描画気泡シート全体を升は、図中の Fw に圧縮しているように見え、目で分割する必要がある。そのために、まず「水中に忽然と像が出現する」という印象を掃引方向に沿って Lane[0, 1, , ] を設ける。図強く持たせることになるであろう。θ t が90では16の Lane を備えたカソード配列が階段°近くのときは、発生したばかりの気泡シー状に並んでいる様子を示している。Lane をトに、後方から他の Lane の電線が突入して担当するカソードは、図中の C[0, 1, , ] であくることになる。一方で CA が掃引方向に対る。CA は D の 方 向 に 掃 引 さ れ る。C に 電して作る流れの抵抗は小さいので、CA 後方気を供給するために、電線が Lane の数だけの流れの乱れは少ないと考えられる。

CA の面において櫛のように横断している。
CA は Vd に対してθ t だけ傾いて設置され4 ．検証方法て い る。 図 中 の FootPrint は、 天 頂 か ら のCA の水槽底面への投影であり、観察者から本ディスプレイの主要な構成要素についは見かけ上、CA の面が FootPrint の面に見て、実験により検証する。気泡による図像がえる。

視認できる諸条件を明らかにし、主としてカ続いてθ t が気泡の拡散に与える影響について考察する。先述の3.1項での観察により、

ソード配列と垂線が成す角θ t の影響を検証する。

カソードの前後には淀み点があり、流れの背後には乱れが生じると推察される。乱れがあ4 ．1 ．予備実験

るならば、θ t は気泡によるの描画の経時的電極サポートの構造と、電極間のギャップ印象に影響すると考えられる。抵抗を減らす長（G）を主として検討するための予備実験には線径を細く、G を広く設定する必要があを実施した。ギャップ長は、狭ければカソーり、またカソード電圧や速度も関係すると推ド間の絶縁が破れ、流れに対する抵抗も増え、広ければ Breadth が大きくなり、表示エリアの効率が悪くなるばかりか、カソード配列の全体構造も大きくなる。実験では、長さが Canvas_W＝120mm、直径0.18mm のポリエステル被覆の銅線を 2 本平行に配置してカソード配列として用いた。部分的に被覆を剥離させプラチナメッキを施した。－30V を断続的に印加しながら200mm/s で掃引し、縞模様の気泡の発生の様子を観察した。
観察の結果、カソード線の両端にかかる張図8

カソード配列と鉛直線が成す角θt

力が弱いときには、電極の流れ後方の微小渦─ 39 ─

筑波学院大学紀要162021による振動が観察された。そこで電極サポーのように見える。Anode の素材はステンレス

トは適度な張力を発生させる構造を考案しである。

た。ギャップ長は、先述の3.3項では1mm でシステム中の信号処理の流れを図10の概流れの乱れを観察したことから十分広く確保

略図を用いて説明する。まずモーターとベしたいが、電気的絶縁のマージン、および水ルトによって CA を掃引する。Sweep Speed

槽のサイズを勘案した結果、1.5mm に設定をパラメータとしてマイコンによりモーした。

ターを制御する。掃引位置を Sensors で取得 し、Encoder が Trg パ ル ス に 変 換 し て

4 ．2 ．装置の構成

ScanController に 送 る。ScanController は 描

本節では掃引型の実験装置の構成を説明する。図 9 はシステム構成を示す図である。

画の元となる RasterData（後述）を保存している。Trg パルスを受信

Fluid（流体：水）が満たされた水槽は静置する都度、RasterData の一部をシリアル信号する。Vp は観測者の視点である。CA（カソー（SPI 信号）として Shift Register に送信し、ド配列）は Support（電極サポート）によっ適宜、Latch 信号によりパラレル信号に変換て CR（往復キャリッジ）に固定されており、し、Multi-channel Cathode Driver に 一 括 でFluid に没しながら Rail に沿って掃引できる送信される。DC Supply は任意の直流電圧

よ う に 構 成す る。Rail に は B/W PATTERN（Applied Voltage） を 発 生 し、Multi-channelを長さ P (BW) のピッチで印刷し、ENC（直Cathode Driver に常時マイナスの電気（カ動 エ ン コ ー ダ ー） が Rail 上 の 位 置、 す な

ソ ー ド 電 位 ） を 供 給 す る。 同 Driver は、わち水槽中の掃引位置を取得する。CA とCathode Array に所要のタイミングでマイナ

Anode（陽極）の電気分解によって生じた水スの電気を配信する。
図11は、Multi-channel Cathode Driver の素気泡は、水槽側面に設置した L（照明）によって照明され、鑑賞者からは気泡が光の粒

図9

うちの、1Lane 分の回路を示す。

実験装置のシステム構成

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図 10

実験装置の信号処理等の概略図

図12は、気泡シート列の描画元データであ配信される。

る RasterData の 概 念 図 で あ る。RasterData

図13は、水中における気泡列の諸元を示は Scan Controller の内部で扱われるデータす。RasterData をもとに描画される気泡ので あ り、$_PicRow の 数 だ け 要 素 を 含 む $_エ リ ア は、Canvas_W と Canvas_R が 成 すPicLane の 配 列、 す な わ ち 2 次 元 配 列 で あエリアである。図中の BubbleCell は、水中る。要素は気泡の ON/OFF の信号に相当す

への描画エリアの升目の単位であり、P(L)る符号や値（$_Val）を格納する。CA が掃引と P(R) が 成 す エ リ ア で あ る。FootPrint

中であるとき、掃引アドレスに相当する $_と Canvas_R の 間 に は マ ー ジ ン を 設 け る

PicRow がポイントする $_Val が、各 Lane にこ と も で き る。FootPrint を 狭 く 設 定 す れ

図 11

カソードのドライブ回路（1Lane 分）

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図 12

RasterData の概念図

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ば、鑑賞者からは CA 内の気泡の発生の列り設定し、筆者が気泡の挙動を観察しなが（BubbleRow）が狭く見え、気泡が「忽然とら、それぞれの条件で、なるべく描画像が出現する」かのように見える、といった効果長く保持され、かつ描画像から文字が判読が期待できるであろう。

しやすいような Sweep Speed 並びに Applied

Latch 信号の発生タイミングは Trig をもVoltage を探索した。θ t＝7°での実験はセッと に 生 成 さ れ る。Trig は B/W PATTERNの 4 倍の頻度でパルスを発生する。すなわ
ち、水中において Trig 発生に相当する長さは、P(BW) の ¼ である。Row 方向においては P(BW) を細かくすることで、BubbleCellの幅を細かく制御できる。RasterData の配列が、正方形の BubbleCell の出力を想定するものであれば、分周比 $_div を新たに設定し（$_div = P(L)/P(BW)/4）、分周比の数だ
け $_val を出力させればよい。θ t が90°に近づくにつれ、Lane 毎の気泡発生のタイミングは想定よりずれることになる。ずれを修正するには G・sin θ t に相当するだけ発

図 14

往復キャリッジとカソード配列等

生タイミングをシフトすれば良い。図14は、往復キャリッジ、Scan Controller、Support、CA の実際の様子である。Scan Controller には Espressif System 社 製 の マ イ コ ン ESPWROOM32を用いた。
4 ．3 ．実験
実験では、カソード配列の角度θ t を 2 通

図 13

気泡列の緒元─ 42 ─

図 15

実験に用いた RasterData

表1

セッション共通のパラメータ

表2

パラメータの設定可能範囲

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誠・佐野司：水素微小気泡を用いた水中ディスプレイの電極構造

A-1

A-4

A-2

A-5

A-3

A-6

A-3-2
A

図 16

セッション A（θt ＝ 7°）による気泡の様子。A1 ～ A6は0.42 秒毎に撮影。

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B-5-2

図 17

セッション B（θt ＝ 90°）による気泡の様子。B-1 ～ B-6は0.42 秒毎に撮影。

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ション A、θ t＝90°ではセッション B と呼CA のうちで最も下流にあるカソードの掃引称する。

位置を示している。

セッション A の狙いは、FootPrint を小さセッション A の実験での観察では、Sweepく抑えることで、気泡が「忽然と」出現す

Speed が200mm/s 付近、かつ AppliedVoltageる演出を期待することである。セッション Bが－5V～－9V のときに気泡の留まり方が良の狙いは、比較的遅く掃引して大き目の気泡

好 で あ っ た。SweepSeed が50mm/s よ り 低を積極的に浮上させることで、CA 背後の乱速側では、SuppliedVoltage の設定可能範囲れの領域から遠ざけ、気泡像の形状の保持をのいずれの電圧においても、イ、ロ、ハのう図ることである。

ちの 1 文字すらも視認できずに気泡は上昇あセッションの共通の Raster Data の配列をるいは霧散した。250mm/s より高速側では、図15に示した。共通のパラメータは表 1 の通いずれの SuppliedVoltage においても気泡群りである。設定可能なパラメータの範囲は表が激しく拡散して、やはり 1 文字も視認が困2 に示したが、このうち水深は、水面に最も難であった。100～200mm/s では、イ、ロ、近いカソードと水面との距離である。

ハの 3 文字を同時に視認できる時間が僅かに存在するが、その直後、掃引方向に、気泡像5 ．実験結果と考察が全体的に崩壊するように拡散した。気泡の拡散という点では、200mm/s 付近で最小に実験結果のパラメータについては、セッなった。Vp 方向以外の観察では、多少の傾ション A を表 3 に、セッション B を表 4 にきがあっても 3 文字を視認でき、「水中に文まとめた。Vp から気泡像全体を観察し、0.42字が一瞬出現する」という印象を得た。

秒ごとに写真撮影した。写真による気泡像のセッション B の実験では、まず気泡が十様子をそれぞれ図16、図17に示した。また、分に成長するように SuppliedVoltage を－18Vそれぞれの図の下部において、セッションのに設定したうえで観察した。SweepSpeed が特徴的な気泡像の拡大写真を示した。図中の150mm/s 付近より高速側では気泡像の拡散

細く白い枠線は、期待される Canvas の範囲が激しく、1 文字すらも視認できなかった。

を示している。図17の白い紗の四角は移動す

50mm/s より低速側では、径の大きい気泡る FootPrint を示している。図中の白矢印はの拡散は少ないながらも、上昇の過程にあ

表3

実験結果：セッション Aる気泡の鉛直方向の分布が広いためか、文字としての纏まりを感じにくい印象であった。100mm/s 付近では、径の大きい気泡がCA に引きずられることなく留まっているように見えた。気泡の引きずられ方という観点でセッション A に比較して観察すると、Canvas 領域での留まり方がしっかりしてい

表4実験結果：セッション Bる印象であった。しかしながら、微小な気泡は Vp から見て CA の位置に相当する深さのレベルで大きく拡散しており、このことは3.5の項での考察を補強するものである。同様 の 条 件 で Supplied Voltage の み -29V 付 近まで変化させたが、気泡の留まり方の印象に─ 45 ─

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変化は無かった。

置を構築した。観察結果を踏まえて、本考案

これらの結果、本実験の諸元に基づけば、の有効性を確認した。

微小気泡を水中にしっかり留まらせ、十分長謝辞

い時間にわたって描像の情報を鑑賞者に視認させ、徐々に気泡像が拡散する、というよう

本 研 究 の 一 部 は JSPS 科 研 費 課 題 番 号な条件を導き出すには至らなかった。しかし

18K11604の助成を受けて実施された。ここながら、図像の表示という目的そのものは、に深謝の意を表する。

本考案の電極の構成方法で達成可能であり、水中への気泡の残留時間の改善のための検討は、カソード間のギャップ長、配置方法、線径の微細化に対して行えばよいことになる。
また、残留時間が改善すれば、拡散や霧散に至るまでの猶予が生まれ、気泡像から得られる視覚的印象のコントロールの幅が生まれることになる。また、セッション B の結果は、水中への気泡の残留にこだわらない鑑賞方法への発展も考えられることを示唆している。
本実験により、水素気泡法を応用した電極構成による水中への図像の表示機能の有効性が確認された。このことにより、様々な実装方法が生み出されることが期待できる。

注釈1 ）秋廣誠，佐野司，“水素気泡による水中へのイメージ表示手法の検討”，日本図学会春季大会学術講演論文集，2019.5，pp4-19
2 ）流れの可視化学会（編），“流れの可視化ハンドブック”，朝倉書店，1986.10，p236
3 ）鈴 木 太 郎 ,“ 鈴 木 太 郎 作 品 集 ”，http://suzukitaro.jp/，2020-9-1
4 ）関根雅人，田中浩也，“熱対流現象を利用した流体装飾インスタレーション”，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，14巻，2009，
pp335-342
5 ）Takuma Uchida, Hitoshi Ozaki, Hiroshi
Kawakami, Jippei Suzuki, Koichi Nakayama,＂Experimental verification of conditions for a6 ．終わりに

bubble-projection three-dimensional display＂,

本稿では、水素気泡法を水中への情報表示システムへ適用する考案を説明した。システムの実現に必要な要素のうち、カソード配列が成す面の角度＝θ t を主とした要因が気泡の動きに与える影響を検証するための実験装─ 46 ─

Proc. SPIE 8648,Stereoscopic Displays andApplications XXIV, 86481G, 2013.3
6 ）Kota Kumagai, Satoshi Hasegawa, and Yoshio
Hayasaki, ＂Volumetric bubble display＂ Optica 4,2017, pp298-302