JP2005254112A - 液体混合装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】連続する液体を流しながら短時間で混合することが可能な液体混合装置およびその方法を提供すること。
【解決手段】互いに界面を接して流路内を流れる異なる液体を、音波によって混合する液体混合装置１およびその方法。音波を伝播すると共に、液体の流路２ｄが形成された伝播部材２と、伝播部材に設けられ、音波を発生し、発生した音波を液体に向かって放射する櫛歯電極５とを有し、櫛歯電極５は、音波の音軸が流路の中心から変位されている。
【選択図】 図６

Description

本発明は、液体混合装置およびその方法に関し、さらには連続液体を移動させながら混合する液体混合装置およびその方法に関するものである。

従来の生化学マイクロ分析システム（Micro Total Analysis Systems：μTAS）では、レイノルズ数が小さいため、分析対象の反応液に乱流を発生させて混合することが困難であり、混合に際しては分子拡散に大きく依存し、完全に混合させるためには膨大な時間が必要であった。このため、こうした要望に応じ、且つ、デッドボリュームを最小化しながら混合する方法の一つとして、超音波流動を利用して液体を能動的に混合或いは攪拌する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、超音波により液体に流れを発生させる手段については、種々の文献で紹介されている（例えば、非特許文献１，２参照）。

国際公開第０２／８１０７０号パンフレット 「Physical Acoustics」, Vol. 2B, Ed. W. P. Mason, Academic Press, 1965, Acoustic Streaming, W. L. Nyborg S. Shiokawa, et.al., Jpn. J. Appl. Phys. Supl. 29-1, 1990, pp.135−137

しかしながら、特許文献１の装置は、表面弾性波を利用して所定の撹拌領域に液体を保持し、この液体を撹拌することから、連続流体を扱えないという問題があった。一方、非特許文献１，２の装置は、ポンプとしての機能しかなく、液体を混合することができないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、連続する液体を流しながら短時間で混合することが可能な液体混合装置およびその方法を提供することを目的とする。
ことを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、互いに界面を接して流路内を流れる異なる液体を、音波によって混合する液体混合装置であって、前記音波を伝播すると共に、前記液体の流路が形成された伝播部材と、前記伝播部材に設けられ、音波を発生し、発生した音波を前記液体に向かって放射する音波発生手段と、を有し、前記音波発生手段は、前記音波の音軸が前記流路の中心から変位されていることを特徴とする。

また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、流路内を互いに界面を接して流れる異なる液体を、音波によって混合する液体混合装置であって、前記音波を伝播すると共に、前記液体の流路が形成された伝播部材と、前記伝播部材に設けられ、音波を発生し、発生した音波を前記液体に向かって放射する音波発生手段と、を有し、前記音波発生手段は、前記音波の音軸が、前記異なる液体の接触界面から変位されていることを特徴とする。

また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる液体混合方法の一態様は、流路内を互いに界面を接して流れる異なる液体を混合する液体混合方法であって、前記液体を前記流路内に導入するステップと、導入された前記液体に、前記流路の中心から変位した音軸を有する音波を放射するステップと、を含むことを特徴とする。

また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる液体混合方法の一態様は、互いに接触界面を有し、流路内を連続して流れる複数の液体を混合する液体混合方法であって、前記複数の液体を前記流路内に導入するステップと、導入された前記複数の液体に、前記接触界面から変位した音軸を有する音波を放射するステップと、を含むことを特徴とする。

上記態様の液体混合装置及び上記態様の液体混合方法によれば、連続する液体を流しながら短時間で完全に混合する液体混合装置及び混合方法が提供される。

ここで、本発明において、音軸とは、音波発生手段から放射される音波の主たる進行方向をいう。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、超音波を発生することを特徴とする。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記超音波は、表面弾性波であることを特徴とする。

上記態様の液体混合装置によれば、異なる液体の流速分布が不均一となり、異なる液体の界面を変動させ分子の接触界面が増大するため、高い撹拌効果を発揮する。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、前記液体に放射した音波によって前記液体の流速分布を攪乱することを特徴とする。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、複数配置されていることを特徴とする。

上記態様の液体混合装置によれば、音波発生手段から放射した音波によって複数の音響流が発生するため、異なる液体の流速分布が不均となり、異なる液体の界面変動がより複雑でより大きくなることで接触界面がさらに増大するため、より高い撹拌混合効果が得られる。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、発生する音波の音軸が前記流路と平行となるように配置されることを特徴とする。

上記態様の液体混合装置によれば、音波発生手段から放射した音波によって発生する音響流が、異なる液体の流速分布の中央よりずれた箇所で流速を速くし、流路内の流速分布の不均一性が生じ、異なる液体の界面を変動させ分子の接触界面を増大させるため、高い撹拌混合効果が得られる。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、発生する音波の音軸が前記流路と交差するように配置されることを特徴とする。

上記態様の液体混合装置によれば、音波発生手段から放射した音波により異なる液体の界面を貫通する音響流が発生し、流路内の流速分布の不均一性が生じると共に、異なる液体の界面の変動が大きくなり、分子の接触界面が増大して、高い撹拌混合効果が得られる。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、発生する音波の音軸が前記液体の流れの向きと対向するように配置されることを特徴とする。

上記態様の液体混合装置によれば、音波発生手段から放射した音波によって液体の流れを打ち消すように音響流が発生し、液体の流速分布の中央よりずれた箇所で流速が遅くなり、流路内の流速分布の不均一性が生じる。これにより、異なる液体の界面が変動し、分子の接触界面が増大するため、高い撹拌混合効果を得られる。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、櫛歯電極であることを特徴とする。

上記態様の液体混合装置によれば、櫛歯電極に対して周波数が表面音波速度と櫛歯電極の電極間距離の比に等しい共鳴条件がほぼ満足される交流電場を与えると、圧電基板に表面弾性波が励起される。伝搬方向は相互に係合する電極の配列方向である。すなわち、電極間距離を狭くすることで高い共振周波数を実現すると共に、方向性をもった音波が発生する。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記複数の音波発生手段は、発生する音波の各音軸がそれぞれ異なっていることを特徴とする。

上記態様の液体混合装置によれば、複数の音波発生手段が、液体の流速分布を複雑にし、流速分布の不均一性により、異なる液体の界面変動が促進され、分子の接触界面が顕著に増大するため、高い撹拌混合効果が得られる。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、前記流路内の所定の位置で音波を集束させることを特徴とする。

上記態様の液体混合装置によれば、音響流が液体中の一点に向かって収束し、流速を局部的に増加させる結果、異なる液体の界面変動が促進され、分子の接触界面が顕著に増大するため、高い撹拌混合効果が得られる。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記音波発生手段は、円弧形状に配置された櫛歯電極であることを特徴とする。

上記態様の液体混合装置によれば、円弧形状の櫛歯電極から発生する円弧中心方向へ向かう表面弾性波は、ある角度をもって縦波にモード変換された音響流となり、櫛歯電極の円弧形状により定められるある一点に向かって収束する。この結果、モード変換された縦波により液体中に放物線状の流速プロファイルを攪乱するような音響流が局部的生じて異なる液体の界面変動を促進し、分子の接触界面が顕著に増大するため、高い撹拌混合効果が得られる。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記超音波発生手段は、前記流路の鉛直方向における中心から変位した位置に音波を集束させることを特徴とする。

上記態様の液体混合装置によれば、円弧状の櫛歯電極からある角度をもって発生する音響流は、櫛歯電極の円弧形状により定められたある１点で収束し最も流速を増すので、その収束する点の位置が流路内であって、流路の鉛直方向における中心から変位していることで、流路を流れる液体の流れに対して大きく影響し、より高い攪拌効果が得られる。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記超音波発生手段は、前記流路の鉛直方向下部に設けられていることを特徴とする。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記超音波発生手段は、前記流路の外部に設けられていることを特徴とする。

上記態様の液体混合装置によれば、音響流の発生位置及び方向を種々変更することにより、流路内における異なる液体に対して効果的な界面変動を生じさせて、界面変動を促進し、分子の接触界面を増大させることで、高い撹拌混合効果が得られる。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記流路は、屈折部を有することを特徴とする。

また、本発明にかかる液体混合装置の一態様は、上記の発明において、前記流路は、前記液体の流れに直交する面における断面積が、前記液体の流れに沿って変化することを特徴とする。

本発明にかかる液体混合装置およびその方法は、連続する液体を流しながら短時間で混合することができるという効果を奏する。

以下に、本発明の液体混合装置およびその方法に係る実施の形態１を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の液体混合装置を示す斜視図である。図２は、液体混合装置の作動原理を説明する平面図である。図３は、液体混合装置を長手方向に沿って切断した断面図である。図４は、図３のＤ部を拡大した図である。図５は、図２の配置における２つの液体の速度プロファイルを示す図である。

液体混合装置１は、図１〜図３に示すように、伝搬部材２と音波を発生する櫛歯電極（ＩＤＴ: Inter Digital Transducers）５を有している。

伝播部材２は、図１に示すように、櫛歯電極５が発生した音波を伝播する部材で、固体基板２ａ、絶縁層２ｂ及びカバー２ｃを有し、中央に液体の流路２ｄが長手方向に形成されている。流路２ｄは、一端に流路２ｄ1と流路２ｄ2とが設けられ、いずれも矩形断面を有し、Ｔ字形に形成されている。固体基板２ａは、例えば、Ｙカットニオブ酸リチウム結晶が使用され、上面には半導体プロセス等で使用されているフォトリソグラフィ法等によって超音波、ここでは表面弾性波（SAW： surface acoustic wave）を励起するための共振器となる概略円弧形状の櫛歯電極５が形成され、櫛歯電極５は保護膜を兼ねる絶縁層２ｂで被覆されている。カバー２ｃは、流路２ｄとなる矩形の微小な溝が形成されたポリメチルシロキサン(PDMS)で形成されており、ＰＤＭＳ自体の自己粘着性により固体基板２ａ上面の絶縁層２ｂに密着している。また、カバー２ｃは、図１に示すように、流路２ｄ1に繋がる第１の液体の注入口２ｅと流路２ｄ2に繋がる第２の液体の注入口２ｆが設けられている。

本発明においては、固体基板は、例えば半導体製造技術におけるシリコンやガラスなどの固体基板、またはこれらの固体基板上の、例えば金属層や絶縁層を意味する。この他、固体基板は、上記ニオブ酸リチウム結晶の他、例えば酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ: lead zirconate titanate）などの圧電性の固体基板、さらにはこれらの圧電性基板上の一部に例えば石英層や金属層を設けたものを包含する。

櫛歯電極５は、例えば数μｍのピッチで交互に櫛歯状に係合する２つの円弧状の電極５ａ，５ｂを有している。櫛歯電極５は、配線６によって外部の電源７と接続されている。

上記構成の液体混合装置１は、櫛歯電極５に、電源７から例えば数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ程度の高周波交流電場を印加すると、周波数が表面音波速度と櫛歯電極５を構成する櫛歯状の電極５ａ，５ｂ間の距離の比に等しい共鳴条件がほぼ満足される場合に、固体基板２ａに表面弾性波が励起される。励起された表面弾性波は、固体基板２ａの表面を伝搬するが、伝搬方向は櫛歯電極５の相互に係合する電極５ａ，５ｂの配列方向である。本実施の形態においては、電極５ａ，５ｂが円弧状に成形されているため、円弧中心Ｃに集束するように表面弾性波が伝搬していく。ここで、絶縁層２ｂを介して固体基板２ａと界面を有する液体の音響インピーダンスが絶縁層２ｂと整合が取れている場合、図４に示すように、表面弾性波Ｗsは櫛歯電極５の部分から絶縁層２ｂを介して液体Ｌq側へと漏れ出ていく。表面弾性波は、このようにして液体に接触している絶縁層２ｂの部分から液体Ｌq側へ漏洩していく。このとき、液体Ｌqのような流体中では表面弾性波等の横波は伝搬できないため、絶縁層２ｂと液体Ｌqの界面では次式のスネルの法則に則り横波→縦波へとモード変換が行われる。
Sinθ_i／Ｖ_s＝Sinθ_lt／Ｖ_l ……（1）

ここで、θ_iは絶縁層２ｂから液体Ｌqの界面へ入射する表面弾性波の入射角、θ_ltは液体Ｌqへ透過／漏洩する縦波の透過角、Ｖ_sは絶縁層２ｂにおける表面弾性波の音速、Ｖ_lは液体Ｌqにおける縦波の音速である。すなわち、櫛歯電極５のある絶縁層２ｂの部分においてはモード変換された縦波が液体中へ透過／伝搬していくことになる。これにより、櫛歯電極５の部分からモード変換された縦波は液体を効率的に流動させることができる。例えば、モード変換された縦波が少なくとも数十ミリ秒以上の連続音波であれば、液体中に音響流を発生させることができる。

ここで、（1）式より、表面弾性波からモード変換された縦波は、固体基板２ａに対してある角度θ_ltをもって液体中へ透過／漏洩していく。表面弾性波がレイリー波の場合、θ_i＝９０°となり、透過／漏洩角度は各音速の比（Ｖ_l／Ｖ_s）で決まる。ここで、音速は、材質ごとに固有値を持つ。従って、液体混合装置１は、表面弾性波の音速に基づいて所望する進行方向へ縦波が放射されるように、固体基板２ａ及び絶縁層２ｂの材質を適宜選択すればよい。

従って、液体混合装置１は、電源７より表面弾性波の励起に必要な交流電場が印加されると、円弧形状の櫛歯電極５からは、円弧中心方向へ向かう表面弾性波と円弧中心と反対方向へ向かう表面弾性波が発生する。円弧中心方向へ向かう表面弾性波は、ある角度をもって縦波にモード変換されて音響流Ｆfとなり、櫛歯電極５の円弧形状により定められるある一点に向かって収束し流速を増加させていく。これに対して、円弧中心と反対方向へ向かう表面弾性波は、縦波にモード変換されて発散する方向で進んでいく音響流Ｆrとなるので、周囲の液体の流れに与える影響は小さい。この結果、液体Ｌqは、電源７から櫛歯電極５に交流電場を印加したときには、瞬時に表面弾性波からモード変換された縦波により、液体Ｌq中に速度プロファイルＰ1で示されるような音響流が生じる。そして、交流電場の印加を停止すると、液体Ｌqが微量で、慣性力が小さいので、音響流は直ちに停止する。

ここで、液体混合装置１は、注入口２ｅから液体Ｌ1が連続して注入されると共に、注入口２ｆから液体Ｌ2が連続して注入され、図５に示すように、流路２ｄ1には液体Ｌ1が矢印の方向に速度プロファイルＰa1で流れ、流路２ｄ2には液体Ｌ2が矢印の方向に速度プロファイルＰa2で流れている。注入口２ｅ，２ｆから注入された液体Ｌ1，Ｌ2は、流路２ｄを速度プロファイルＰt1で流れ、図示しない他端から排出される。このとき、流路２ｄ1と流路２ｄ2は同じ矩形断面形状であり、液体Ｌ1と液体Ｌ2の流量も同じである。

このとき、液体Ｌ1と液体Ｌ2は、図５に示すように、流路２ｄの中心で界面を接して流れる。また、流路２ｄ，２ｄ1，２ｄ2は、矩形断面形状を有しており、その大きさは１辺がμｍオーダーであり、大きくても数ｍｍ以下である。従って、液体Ｌ1，Ｌ2はレイノルズ数が小さいため層流で流れ、その速度分布は放物線状の速度プロファイルを持つ。そして、液体Ｌ1と液体Ｌ2は、層流で流れるため、図５に示すように、流路２ｄに合流しても、分子拡散によって界面Ｉfで混合するだけであるため、なかなか混合が進まずに流れていく。そこで、本発明では、このような複数の液体が流れる流路において、複数の液体を効率的に混合する液体混合装置およびその方法機構と方法を提供するものである。

（実施の形態１）
図６は、本発明に係る液体混合装置およびその方法に係る実施の形態１を説明するもので、液体混合装置の平面図である。液体混合装置１は、図１に示すように、固体基板２ａ、絶縁層２ｂ、カバー２ｃ及び流路２ｄを有する伝播部材２と、櫛歯電極５を有する形状が基本構成であり、櫛歯電極５が流路２ｄの中心から流路幅ＷのＷ／４だけ液体Ｌ1側に変位した流路２ｄに配置、言い換えれば櫛歯電極５の発生する音波の音軸が流路２ｄの中心から変位した位置に配置されている。ここで、図６に示すように、流路２ｄ1には液体Ｌ1が矢印の方向に速度プロファイルＰa1で流れ、流路２ｄ2には液体Ｌ2が矢印の方向に速度プロファイルＰa2で流れている。実施の形態１に係る液体混合装置１は、このような構成とすることにより、電源７から櫛歯電極５に交流電場を印加すると、櫛歯電極５が発生する表面弾性波によって、液体Ｌ1に速度プロファイルＰ1をもつ音響流Ｆfが発生する。このため、流路２ｄでは速度プロファイルＰt1であった液体Ｌ1，Ｌ2の流れは、櫛歯電極５に起因した音響流Ｆfの速度プロファイルＰ1の分が加わる。このため、櫛歯電極５を通過後の流れは、速度プロファイルＰt2の様に変化する。この速度プロファイルの変化は、液体Ｌ1の流れが加速されたことを意味している。

このため、液体Ｌ2は液体Ｌ1に引きずられるような状態になり、液体Ｌ1，Ｌ2が流路２ｄに流入したときには、液体Ｌ1と液体Ｌ2は流路２ｄの幅方向中央に界面Ｉfをもっている。そして、液体Ｌ1，Ｌ2は、櫛歯電極５を通過したあとでは、その界面Ｉfが液体Ｌ1側に移動している。この速度プロファイルの変化を分かり易く説明すると、櫛歯電極５を通過する前の界面Ｉfを挟んで液体Ｌ1，Ｌ2のほぼ同じ位置にある液体の微小部分をΔＬ1、液体Ｌ2の微小部分をΔＬ2とすると、櫛歯電極５を通過した後では、先に定義した液体Ｌ1の微小部分ΔＬ1は微小部分ΔＬ11に、液体Ｌ2の微小部分ΔＬ2は微小部分ΔＬ21へと移動している。このことは、櫛歯電極５によって発生する音響流Ｆfにより、流路２ｄ内の流れにおける放物線状の速度プロファイルが乱され、液体Ｌ1と液体Ｌ2は、流路２ｄ内で混合が促進されていることを示している。

即ち、櫛歯電極５は、音軸を流路２ｄの中心から変位させたことにより、液体Ｌ1に放射した音波によって発生する音響流が、流路２ｄの中心から変位した位置で連続液体を部分的に加速する。この結果、流路２ｄを流れる液体Ｌ1，Ｌ2は、流速分布が流路中心にピークを有する放物線状（パラボリックフロー）ではなく、流速分布が攪乱された不均一な形となり、この異なる不均一な流速分布によって液体Ｌ1，Ｌ2の界面Ｉfが変動し、分子の接触界面が増大するため高い撹拌混合効果を得ることができる。

以上のように、液体混合装置１は、流路２ｄ内に櫛歯電極５を配置することで、流路２ｄ内の攪拌性能を向上させることができる。ただし、櫛歯電極５は、流路２ｄの中心以外の位置に配置することが必要である。それは、流路２ｄの中心は、放物線状の速度プロファイルの頂点であり、その位置に櫛歯電極５を配置し、音響流Ｆfにより液体の流れを加速しても、速度プロファイルは変形するが、液体の流れの中心に対して対称性を維持しており、上述の界面の移動が生じないからである。

ここまでの説明では、櫛歯電極５の発生する音波の音軸を、流路２ｄと平行となるように変位させていたが、櫛歯電極５の発生する音波の音軸が、流路２ｄにおける液体の流れの方向に対して傾いている場合には、櫛歯電極５が流路２ｄの中心にあっても攪拌効果を発揮することができる。また、円弧状の櫛歯電極５からある角度をもって発生する音響流Ｆfは、櫛歯電極５の円弧形状により定められたある１点で収束し最も流速を増す。このため、この収束する点が流路２ｄ内にあるように、櫛歯電極５及び流路２ｄの鉛直方向における高さを設計することが望ましい。また、音響流Ｆfが収束する点の位置が、液体Ｌ1，Ｌ2の流路２ｄの中心より鉛直方向上側もしくは下側に変位しているほうが、流路２ｄを流れる液体Ｌ1，Ｌ2の流れに対する影響が大きいので、より大きな攪拌効果を得ることができる。

さらに、攪拌対象である液体Ｌ1，Ｌ2は、表面弾性波の振幅（電圧）により攪拌効果を調整することができる。また、表面弾性波の励起時間、パルスの長さや形状、間隔等、音響流に関する条件は、櫛歯電極５に印加する交流電場の電源を電気的に調節することで容易に変更可能である。また、これらの条件変更は、電気的な制御によって可能なので、ソフトウエアで制御することができるなど、本発明の液体混合装置１は、条件変更や調整が容易であるという利点がある。さらに、本実施の形態においては、櫛歯電極５を流路２ｄの中心から変位させて配置しているが、攪拌対象である液体Ｌ1，Ｌ2の界面Ｉfを基準として変位させて配置してもよい。

（実施の形態２）
図７は、本発明に係る液体混合装置およびその方法に係る実施の形態２を説明するもので、液体混合装置の平面図である。以下、実施の形態１と同一の構成部分には同一の符号を用いて説明する。また、図７に示すように、流路２ｄ1には液体Ｌ1が矢印の方向に速度プロファイルＰa1で流れ、流路２ｄ2には液体Ｌ2が矢印の方向に速度プロファイルＰa2で流れており、これは以下に説明する各実施の形態においても同じである。

液体混合装置１０は、図７に示すように、櫛歯電極５と同様に構成される櫛歯電極５１，５２，５３を液体Ｌ1，Ｌ2の流路２ｄに互い違いに配置し、それぞれ電源７ａ，７ｂによって駆動するように構成したことを特徴とする。ここで、実施の形態２に係る液体混合装置１０は、このような構成とすることにより、流路２ｄ内の液体Ｌ1，Ｌ2の流れの速度プロファイルが、櫛歯電極５１の手前では放物線状の流路プロファイルＰt1であったのが、櫛歯電極５１の下流では速度プロファイルＰt2のように櫛歯電極５１側の流速が早くなる。そして、櫛歯電極５２の下流では、逆に速度プロファイルＰt3のように櫛歯電極５２側の流速が早くなる。更に、櫛歯電極５３の下流では、速度プロファイルＰt4のように櫛歯電極５３側の流速が早くなっている。これにより、液体混合装置１０は、流速分布が攪乱されて、流路２ｄを流れる液体Ｌ1，Ｌ2の界面Ｉfが大きく蛇行し、液体Ｌ1，Ｌ2を攪拌する効果が向上する。

即ち、櫛歯電極５１を通過する前の界面Ｉfを挟んで液体Ｌ1，Ｌ2のほぼ同じ位置にある液体の微小部分をΔＬ1、液体Ｌ2の微小部分をΔＬ2とすると、櫛歯電極５１を通過した後では、先に定義した液体Ｌ1の微小部分ΔＬ1は微小部分ΔＬ11に、液体Ｌ2の微小部分ΔＬ2は微小部分ΔＬ21へと移動している。また、櫛歯電極５２を通過した後は、液体Ｌ1の微小部分ΔＬ11は微小部分ΔＬ12に、液体Ｌ2の微小部分ΔＬ21は微小部分ΔＬ22へと移動している。そして、櫛歯電極５３を通過した後は、液体Ｌ1の微小部分ΔＬ12は微小部分ΔＬ13に、液体Ｌ2の微小部分ΔＬ22は微小部分ΔＬ23へと移動している。このように、櫛歯電極５１〜５３によって発生する音響流により、流路２ｄ内の流れにおける放物線状の速度プロファイルが乱され、液体Ｌ1と液体Ｌ2は、流路２ｄ内で混合が促進されている。しかも、液体混合装置１０は、速度プロファイルが３回変化し、流速分布が攪乱されて、液体Ｌ1，Ｌ2の界面Ｉfが大きく蛇行しており、実施形態１の液体混合装置１よりも大きな攪拌効果を得ることができる。このとき、前記のように、櫛歯電極５への交流電場の印加を停止すると、液体Ｌ1が微量で、慣性力が小さいので、音響流は直ちに停止し、従って、界面Ｉfの蛇行は経時的に元の状態に復帰する。これは、他の実施の形態においても同様である。

ここで、液体混合装置１０は、図７に示すように、櫛歯電極５１と櫛歯電極５３を同一の電源７ａに接続しているが、それぞれの櫛歯電極５１，５３を個別の電源に接続して交流電圧を個々に印加できるようにし、３個の櫛歯電極５１〜５３を異なる条件で励起してより複雑な速度プロファイルの流れを作り出すことも可能である。また、当然ながら櫛歯電極の数は３個ではなく、複数以上であれば良い。更に、櫛歯電極５１〜５３は、図７においては等間隔で互い違いに配置したが、不等間隔でもよく、１個ずつの互い違いでなくてもよい。例えば、図７において上側に２個、下側に１個等、任意の配置が可能である。また、櫛歯電極５１，５３は、流路２ｄと平行な直線上に配置してあるが、各々の音軸を変位してもよい。

（実施の形態３）
図８は、本発明に係る液体混合装置およびその方法に係る実施の形態３を説明するもので、液体混合装置の平面図である。液体混合装置１５は、液体混合装置１０において櫛歯電極５１〜５３の音軸を流路２ｄの中心方向に向けて所定角度をもって、または音軸と流路２ｄの中心が交わるように配置したことを特徴とする。

液体混合装置１５は、このような構成とすることにより、液体Ｌ1が櫛歯電極５１を通過すると、液体Ｌ1の微小部分ΔＬ1は微小部分ΔＬ11に、液体Ｌ2の微小部分ΔＬ2は微小部分ΔＬ21へと移動する。また、櫛歯電極５２を通過した後は、液体Ｌ1の微小部分ΔＬ11は微小部分ΔＬ12に、液体Ｌ2の微小部分ΔＬ21は微小部分ΔＬ22へと移動する。そして、櫛歯電極５３を通過した後は、液体Ｌ1の微小部分ΔＬ12は微小部分ΔＬ13に、液体Ｌ2の微小部分ΔＬ22は微小部分ΔＬ23へと移動する。従って、液体混合装置１５は、図８に示すように、液体Ｌ1と液体Ｌ2が接する界面Ｉfの蛇行が液体混合装置１０よりも大きくなり、流速分布が攪乱されて、液体Ｌ1と液体Ｌ2の分子衝突面積をより増大させることができ、さらに大きな攪拌効果を得ることができる。ここで、櫛歯電極５１〜５３は、実施の形態２で説明したように、種々に配置を変更することが可能である。

（実施の形態４）
図９は、本発明に係る液体混合装置およびその方法に係る実施の形態４を説明するもので、液体混合装置の平面図である。液体混合装置２０は、実施の形態１の液体混合装置において、液体Ｌ2の流れの下流に、液体Ｌ1側に設けた櫛歯電極５１と音軸を対向させて櫛歯電極５２を追加し、櫛歯電極５１，５２をそれぞれ電源７ａ，７ｂによって駆動するように構成したことを特徴とする。

液体混合装置２０は、このような構成とすることにより、液体Ｌ1が櫛歯電極５１を通過すると、液体Ｌ1の微小部分ΔＬ1は微小部分ΔＬ11に大きく移動するのに対し、液体Ｌ2の微小部分ΔＬ2は、液体Ｌ2側に設けた櫛歯電極５２によって押し戻されるため、微小部分ΔＬ21へと僅かしか移動しない。この結果、液体混合装置２０は、流速分布が攪乱されて、液体Ｌ1と液体Ｌ2の接する界面Ｉfが極端に蛇行し、これによって液体Ｌ1と液体Ｌ2の分子衝突面積がより一層増大し、大きな攪拌効果を得ることができる。ここで、櫛歯電極５１〜５３は、実施の形態２で説明したように、種々に配置を変更することが可能である。

以上、実施の形態１〜４の液体混合装置について説明したが、同一の流路において、各実施の形態の構成を組み合わせて、液体Ｌ1，Ｌ2を攪拌することも可能である。例えば、実施の形態１の液体混合装置において、櫛歯電極５を音軸が流れの上流に向くように配置しても良い。また、実施の形態２の液体混合装置において、櫛歯電極５１〜５３のいくつかを、音軸が流れの上流に向かうように配置してもよいし、流路２ｄの中心に向けて傾けて配置してもよく、実施の形態３の液体混合装置でも同様の変更が可能である。

また、実施の形態１〜４の液体混合装置では、流路２ｄの下側となる固体基板２ａに櫛歯電極５を配置したが、流路２ｄの上側となるカバー２ｃの形状を変更し、流路２ｄの上側にも櫛歯電極５を配置してもよい。このようにすると、液体混合装置は、液体Ｌ1，Ｌ2を攪拌する櫛歯電極５の配置におけるバリエーションが増加し、種々の混合形態を採用することができる。

（実施の形態５）
次に、本発明に係る液体混合装置およびその方法に係る実施の形態５を説明する。図１０は、本発明の実施の形態５を説明するもので、液体混合装置の平面図である。液体混合装置２５は、実施の形態１の櫛歯電極５を、複数の電極２６ａ，２６ｂが平行な櫛歯電極２６に変更したことを特徴とする。

液体混合装置２５は、このような構成とすることにより、櫛歯電極２６が、複数の電極２６ａ，２６ｂの配列方向に表面弾性波を励起し、モード変換された縦波により液体Ｌ1の中に速度プロファイルＰ1，Ｐ2のような音響流Ｆf，Ｆrを生じる。このため、流路２ｄ内の液体Ｌ1，Ｌ2は、櫛歯電極２６の上流側において音響流Ｆrの流れを受けて放物線状の速度プロファイルが乱れ、速度プロファイルＰt1のような流れとなる。そして、櫛歯電極２６の下流では音響流Ｆfの影響を受けて、速度プロファイルＰt2のような流れとなる。これにより、液体Ｌ1の微小部分ΔＬ11は、櫛歯電極２６を通過すると微小部分ΔＬ12へと大きく移動するのに対し、液体Ｌ2の微小部分ΔＬ21は、微小部分ΔＬ22へと移動し、移動量が小さい。

この結果、液体混合装置２５は、流速分布が攪乱されて液体Ｌ1と液体Ｌ2の接する界面Ｉfが蛇行し、これによって液体Ｌ1と液体Ｌ2の分子衝突面積がより増大し、大きな攪拌効果を得ることができる。このとき、複数の電極２６ａ，２６ｂが平行な櫛歯電極２６は、円弧形状の櫛歯電極に比べ設計段階での性能を予測するのが容易であるという利点がある。以上のように、本発明の液体混合装置は、流路２ｄ内の流れの速度プロファイルを乱すことができるものであれば、攪拌効果を得ることができる。従って、超音波を放射可能なものであれば、例えば積層型の圧電振動子等でも、本発明の液体混合装置に適用可能である。また、液体混合装置２５は、実施の形態１〜４で説明した変形や組み合わせが可能である。

（実施の形態６）
次に、本発明に係る液体混合装置およびその方法に係る実施の形態６を説明する。実施の形態６は、音波発生手段を液体の流路の外側に配置した液体混合装置に関するものである。図１１は、本発明の実施の形態６に係る液体混合装置の基本構成を示す概略図である。図１２は、図１１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１３−１は、伝達部材におけるカバーに設けた隙間を示す斜視図である。図１３−２は、隙間に沿った断面図である。図１４は、屈折流路による液体の撹拌作用を説明する図である。図１５は、図１４の屈折流路に本発明を適用した場合における撹拌効果を説明する平面図である。図１６は、図１４の屈折流路に本発明を適用した場合における撹拌効果を説明する断面図である。

液体混合装置３０は、図１１及び図１２に示すように、伝搬部材３１と音波を発生する複数の櫛歯電極３５と櫛歯電極３６を有している。

伝播部材３１は、図１１及び図１２に示すように、櫛歯電極３５が発生した音波を伝播する部材で、固体基板３１ａ及びカバー３１ｂを有し、中央に複数の屈折部Ｂを有する屈折流路３１ｃが長手方向に形成されている。屈折流路３１ｃは、一端が導入口３１ｄから液体が導入され、他端の導出口３１ｅから液体を導出する。カバー３１ｂは、屈折流路３１ｃとなる矩形の微小な溝が形成されたポリメチルシロキサン(PDMS)で形成されており、ＰＤＭＳ自体の自己粘着性により固体基板３１ａ上面に密着している。但し、カバー３１ｂは、表面弾性波の進路上において音波の進行を妨げないように、例えば、図１３−１に示すように、屈折流路３１ｃに比べて極微小な隙間３１ｇを固体基板３１ａとの間に設けるとよい。カバー３１ｂを形成するＰＤＭＳは疎水性材料であり、隙間３１ｇが屈折流路３１ｃに比べて極微小である場合には、圧力損失が非常に大きいため、図１３−２に示すように、屈折流路３１ｃ内の液体Ｌqが外部へ漏れ出すことはない。また、屈折流路３１ｃは矩形であり、例えば、屈折部Ｂにおいて流れに直交する面における断面積が流れに沿って変化している。

櫛歯電極３５は、例えば数μｍのピッチで交互に櫛歯状に係合する複数の電極３５ａ，３５ｂが平行に配置され、屈折流路３１ｃに複数個所に設けられている。櫛歯電極３６は、平行に配置される複数の電極３６ａ，３６ｂが櫛歯電極３５よりも長く設定されている。ここで、各櫛歯電極３５は、音波の音軸Ａxを屈折流路３１ｃの中心軸Ａfから変位させて固体基板３１ａに設けられている。また、櫛歯電極３５，３６は、配線によって外部の電源へ接続されているが、図面の錯綜を避けるため省略している。

図１１及び図１２のように構成される液体混合装置３０は、櫛歯電極３５，３６を駆動せずに２つの液体Ｌ1，Ｌ2を導入口３１ｄから流すと、２つの液体Ｌ1，Ｌ2は図１４に示すように、屈折流路３１ｃを通って流れるため、２つの液体の接触界面が増大し分子拡散が促進されるため導出口３１ｅへと移動するに伴って混合されていく。

これに対し、例えば数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ程度の高周波交流電場を櫛歯電極３５，３６に印加すると、周波数が表面音波速度と櫛歯電極３５，３６の電極間距離の比に等しい共鳴条件がほぼ満足される場合に、固体基板３１ａの圧電性領域に表面弾性波が誘起される。表面弾性波の伝搬方向は、相互に係合する櫛歯電極３５，３６の電極の配列方向である。本実施の形態においては、表面弾性波は、図１５における櫛歯電極３５，３６の表面に沿って撹拌対象の液体Ｌ1，Ｌ2に向かって斜め上方に向かって伝搬していく。表面弾性波は、固体基板表面から約一波長程度の深度領域に閉じ込められて伝搬方向へ進むが、固体基板３１ａと界面を有する媒質が水などの液体の場合、固体基板３１ａと液体との音響インピーダンスが近いため、表面弾性波は固体基板３１ａから液体側へと漏れ出ていく。

そして、液体中では表面弾性波等の横波は伝搬できないため、固体基板３１ａと液体の界面ではスネルの法則に則り横波→縦波へとモード変換が行われる。例えば、モード変換された縦波が少なくとも数十ミリ秒以上の連続音波であれば、液体中に音響流が発生し流路内の流れ場を乱して流速分布が攪乱される。このため、液体混合装置３０は、屈折流路３１ｃのみのよる効果に加え、音響流による流れの攪乱が生じるため、液体の撹拌混合効果を高めることができる。

さらに、液体混合装置３０は、（1）撹拌対象の液体への作用力強度は表面弾性波の振幅により調整可能、（2）作用時間、例えばパルスの種々の長さを電子的に容易に設定可能、（3）ソフトウエアでの制御が可能、といった利点を有する。

なお、この発明の液体混合装置は、各種の変形、変更が可能である。例えば、図１７に示すように、流路３１ｃを挟んで２つの櫛歯電極を配置し、２つの櫛歯電極３５を斜めに対向配置したり、２つの櫛歯電極３７を音軸Ａxを変位させて斜めに配置してもよい。また、図１８に示すように、２つの櫛歯電極３８を流路３１ｃを挟んで対向させて配置してもよい。更に、カバー３１ｂは、図１９に示す液体混合装置３０のように、櫛歯電極３５，３６を２枚の固体基板３１ａ，３１ｆに振り分けて設け、固体基板３１ａ，３１ｆで流路を形成する流路部材３３を挟んだ構成としても良い。また、矩形の屈折流路の他、図２０に示すように、曲線状に滑らかに蛇行する流路３１ｃであっても構わない。さらに、カバー３１ｂを別途設けず、櫛歯電極が設けられた固体基板３１ａ上に、例えば親水性／疎水性のような表面特性の違いを利用して流路３１ｃを形成しても構わない。また、撹拌の際には、本実施の形態で用いているよりもさらに多くの櫛歯電極３５，３６を同時に使用しても良い。更に、液体混合装置は、櫛歯電極３５，３６を同時駆動する以外に、所定の強度、所定の組み合わせで時間をずらして駆動しても良い。

以上のように、本発明にかかる液体混合装置およびその方法は、連続的に流れる複数の異なる液体の混合に有用であり、特に、微量の液体の混合に適している。

本発明の液体混合装置を示す斜視図である。 液体混合装置の作動原理を説明する平面図である。 液体混合装置を長手方向に沿って切断した断面図である。 図３のＤ部を拡大した図である。 図２の配置における２つの液体の速度プロファイルを示す図である。 本発明に係る液体混合装置およびその方法に係る実施の形態１を説明するもので、液体混合装置の平面図である。 本発明に係る液体混合装置およびその方法に係る実施の形態２を説明するもので、液体混合装置の平面図である。 本発明に係る液体混合装置およびその方法に係る実施の形態３を説明するもので、液体混合装置の平面図である。 本発明に係る液体混合装置およびその方法に係る実施の形態４を説明するもので、液体混合装置の平面図である。 本発明の実施の形態５を説明するもので、液体混合装置の平面図である。 本発明の実施の形態６に係る液体混合装置の基本構成を示す概略図である。 図１１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 伝達部材におけるカバーの一例として、固体基板との間に隙間を形成するカバーを示す斜視図である。 隙間に沿った断面図である。 屈折流路による液体の撹拌作用を説明する図である。 図１４の屈折流路に本発明を適用した場合における撹拌効果を説明する平面図である。 図１４の屈折流路に本発明を適用した場合における撹拌効果を説明する断面図である。 実施の形態６に係る液体混合装置における音波発生手段の異なる配置の変形例を示す図である。 実施の形態６に係る液体混合装置における音波発生手段の更に異なる配置の変形例を示す図である。 実施の形態６の変形例を示す平面図である 実施の形態６の他の変形例を示す平面図である。

符号の説明

１ 液体混合装置
２ 伝播部材
２ａ 固体基板
２ｂ 絶縁層
２ｃ カバー
２ｄ 流路
２ｄ1，２ｄ2 流路
２ｅ，２ｆ 注入口
５ 櫛歯電極
５ａ，５ｂ 電極
６ 配線
７ 電源
７ａ，７ｂ 電源
１０，１５，２０ 液体混合装置
２５ 液体混合装置
２６ 櫛歯電極
２６ａ，２６ｂ 電極
３０ 液体混合装置
３１ 伝播部材
３１ａ、３１ｆ 固体基板
３１ｂ カバー
３１ｃ 屈折流路
３１ｄ 導入口
３１ｅ 導出口
３１ｇ 隙間
３５ 櫛歯電極
３５ａ，３５ｂ 電極
３６ 櫛歯電極
３６ａ，３６ｂ 電極
５１，５２，５３ 櫛歯電極
Ａx 音軸
Ａf 中心軸
Ｂ 屈折部
Ｌ1，Ｌ2 液体

Claims (20)

1. 互いに界面を接して流路内を流れる異なる液体を、音波によって混合する液体混合装置であって、
   前記音波を伝播すると共に、前記液体の流路が形成された伝播部材と、
   前記伝播部材に設けられ、音波を発生し、発生した音波を前記液体に向かって放射する音波発生手段と、
   を有し、前記音波発生手段は、前記音波の音軸が前記流路の中心から変位されていることを特徴とする液体混合装置。
2. 流路内を互いに界面を接して流れる異なる液体を、音波によって混合する液体混合装置であって、
   前記音波を伝播すると共に、前記液体の流路が形成された伝播部材と、
   前記伝播部材に設けられ、音波を発生し、発生した音波を前記液体に向かって放射する音波発生手段と、
   を有し、前記音波発生手段は、前記音波の音軸が、前記異なる液体の接触界面から変位されていることを特徴とする液体混合装置。
3. 前記音波発生手段は、超音波を発生することを特徴とする請求項１又は２に記載の液体混合装置。
4. 前記超音波は、表面弾性波であることを特徴とする請求項３に記載の液体混合装置。
5. 前記音波発生手段は、前記液体に放射した音波によって前記液体の流速分布を攪乱することを特徴とする請求項１又は２に記載の液体混合装置。
6. 前記音波発生手段は、複数配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体混合装置。
7. 前記音波発生手段は、発生する音波の音軸が前記流路と平行となるように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体混合装置。
8. 前記音波発生手段は、発生する音波の音軸が前記流路と交差するように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体混合装置。
9. 前記音波発生手段は、発生する音波の音軸が前記液体の流れの向きと対向するように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体混合装置。
10. 前記音波発生手段は、櫛歯電極であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体混合装置。
11. 前記複数の音波発生手段は、発生する音波の各音軸がそれぞれ異なっていることを特徴とする請求項６に記載の液体混合装置。
12. 前記音波発生手段は、前記流路内の所定の位置で音波を集束させることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体混合装置。
13. 前記音波発生手段は、円弧形状に配置された櫛歯電極であることを特徴とする請求項１２に記載の液体混合装置。
14. 前記超音波発生手段は、前記流路の鉛直方向における中心から変位した位置に音波を集束させることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液体混合装置。
15. 前記超音波発生手段は、前記流路の鉛直方向下部に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液体混合装置。
16. 前記超音波発生手段は、前記流路の外部に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液体混合装置。
17. 前記流路は、屈折部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液体混合装置。
18. 前記流路は、前記液体の流れに直交する面における断面積が、前記液体の流れに沿って変化することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液体混合装置。
19. 流路内を互いに界面を接して流れる異なる液体を混合する液体混合方法であって、
    前記液体を前記流路内に導入するステップと、
    導入された前記液体に、前記流路の中心から変位した音軸を有する音波を放射するステップと、
    を含むことを特徴とする液体混合方法。
20. 互いに接触界面を有し、流路内を連続して流れる複数の液体を混合する液体混合方法であって、
    前記複数の液体を前記流路内に導入するステップと、
    導入された前記複数の液体に、前記接触界面から変位した音軸を有する音波を放射するステップと、
    を含むことを特徴とする液体混合方法。

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