JP2014054130A

JP2014054130A - 非接触液滴混合装置及び非接液滴混合方法

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Publication number: JP2014054130A
Application number: JP2012198318A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Nakamura; 中村　　健太郎; Ryohei Nakamura; 良平中村
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2032-09-10
Also published as: JP6090901B2

Abstract

【課題】キャリーオーバーの虞のない非接触液滴混合装置及び非接液滴混合方法を提供する。
【解決手段】制御部５０により第２の非接触搬送路２０の駆動部２４の動作を制御することより、円環状に形成されたたわみ振動板２１と反射板２２で挟まれた空間に発生される超音波定在波の複数の節部に混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２を捕捉し、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２を隣接する節部に移動させて混合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波により混合対象の液滴を補足して非接触で混合する非接触液滴混合装置及び非接液滴混合方法に関する。

創薬スクリーニング分野、バイオテクノロジー、物質の生化学的反応などの試験を行う際には、アッセイ系において使用される試料や検体の量を微量化して混合したり、マイクロプレート等の実験用容器へ微量ずつ小分けしている。

従来、液体試料や液体試薬を混合する際には、サンプルと試薬を反応させる反応容器内の液をヘラやスクリューを用いて攪拌していたので、撹拌後の液が、ヘラやスクリューに付着して、次の試料の検査に持ち越されて次のサンプルや試料が汚染されてしまい、分析結分析結果に影響を及ぼすという問題があった。キャリーオーバーの防止の観点から、非接触で薬剤等を取り扱う技術が必要とされている（例えば、特許文献１参照）。

本件発明者等は、超音波定在波により液滴などの微小物体を捕捉し、捕捉した微小物体を直線状の非接触搬送路やリング状の非接触搬送路を介して非接触で搬送する技術を先に提案している（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−１４６００７号公報特開２０１１−０６２０６８号公報

本発明の目的は、先に提案している超音波定在波により液滴などの微小物体を捕捉し、捕捉した微小物体を直線状の非接触搬送路やリング状の非接触搬送路を介して非接触で搬送する技術を利用して、キャリーオーバーの虞のない非接触液滴混合装置及び非接液滴混合方法を提供することにある。

本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本発明は、非接触液滴混合装置であって、円環状に形成されたたわみ振動板と、上記たわみ振動板と同心異径の円環状に形成され、上記たわみ振動板と対向してその空間における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板と、上記たわみ振動板を加振する超音波振動子と、上記超音波振動子を電気信号により励振する駆動部と、上記駆動部により上記超音波振動子を励振して上記たわみ振動板を超音波振動させることにより上記たわみ振動板と上記反射板で挟まれた円環状の空間に発生される超音波定在波の発生状態を制御する制御手段とを備え、上記たわみ振動板と上記反射板で挟まれた空間に発生される超音波定在波の複数の節部に混合対象の液滴を捕捉し、上記制御手段で上記超音波定在波の発生状態を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を隣接する節部に移動させて混合することを特徴とする。

また、本発明は、非接触液滴混合方法であって、円環状に形成されたたわみ振動板と、上記たわみ振動板と同心異径の円環状に形成され、上記たわみ振動板と対向してその空間における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板で挟まれた空間に、上記たわみ振動板を超音波振動させることにより発生される超音波定在波の複数の節部に混合対象の液滴を捕捉し、上記超音波定在波の発生状態を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を隣接する節部に移動させて混合することを特徴とする。

本発明では、例えば、上記円環状の空間に発生される超音波定在波の強度を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を隣接する節部に移動させて混合するものとすることができる。

また、本発明では、例えば、上記円環状の空間に発生される超音波定在波のモードを制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を隣接する節部に移動させて混合するものとすることができる。

また、本発明では、例えば、同心異径の円環状に形成され、水平軸を中心とした同軸状に設置された上記たわみ振動板と上記反射板の相対向する周面で挟まれたリング状の空間に発生される超音波定在波の複数の節部の内の上方に位置する少なくとも２箇所の節部に混合対象の液滴を捕捉し、上記制御手段で上記超音波定在波の発生状態を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を下方に隣接して位置する節部に移動させて混合するものとすることができる。

さらに、本発明では、上記円環状に形成されたたわみ振動板を複数個の上記超音波振動子により複数箇所において加振し、上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御し、上記たわみ振動板の周方向の進行波超音波振動を伝搬させ、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を周回させて混合するものとすることができる。

本発明では、円環状に形成されたたわみ振動板と、上記たわみ振動板と同心異径の円環状に形成され、上記たわみ振動板と対向してその空間における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板で挟まれた空間に、上記たわみ振動板を超音波振動させることにより発生される超音波定在波の複数の節部に混合対象の液滴を捕捉し、上記超音波定在波の発生状態を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を隣接する節部に移動させて混合することにより、超音波により混合対象の液滴を補足して非接触で混合することができ、キャリーオーバーの虞のない非接触液滴混合装置及び非接液滴混合方法を提供することができる。

本発明を適用した非接液滴混合装置の構成を模式的に示す図である。上記非接触液滴混合装置における直線状の非接触搬送路の構造を模式的に示す図である。上記直線状の非接触搬送路おいて、たわみ振動板と反射板により挟まれた直線状の空間に発生される超音波定在波の節部に混合対象の液滴を捕捉して搬送している状態を模式的に示す図である。上記非接触液滴混合装置におけるリング状の非接触搬送路の構造を模式的に示す図である。上記リング状の非接触搬送路において、たわみ振動板と反射板により挟まれたリング状の空間に発生される超音波定在波の節部に混合対象の液滴を捕捉して搬送している状態を模式的に示す図である。本発明を適用した平板状のたわみ振動板と半同心異径の円環状に状の反射板で挟まれた半円筒形状の空間に超音波定在波を発生させる構造とした非接触搬送路を備える非接触液滴混合装置の構成を模式的に示す側面図である。上記非接触液滴混合装置において、リング状の空間に発生される超音波定在波により、複数の液滴を捕捉するために使用した音場モードを模式的に示す図である。上記非接触液滴混合装置において、超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を捕捉して混合する経過を示す図である。上記非接触液滴混合装置の非接触搬送路における角度による音圧の変化すなわち周方向の音場分布の測定結果を模式的に示す図である。上記非接触液滴混合装置の非接触搬送路における振動板と反射板の距離と音圧の関係を模式的に示す図である。上記非接触液滴混合装置において混合された液滴の攪拌効果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、例えば図１に示すような構成の非接触液滴混合装置１００に適用される。

この非接触液混合装置１００は、第１乃至第４の非接触搬送路１０Ａ，１０Ｂ，２０，３０と、これらの動作を制御する制御部５０からなる。

この非接触液滴混合装置１００において、上記第１の非接触搬送路１０Ａは、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板１１Ａと、上記たわみ振動板１１Ａと対向して水平な状態に設置された反射板１２Ａと、上記たわみ振動板１１Ａを長手方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子１３Ａと、上記複数個の超音波振動子１３Ａを異なる位相の電気信号により励振する駆動部１４Ａからなる。

上記たわみ振動板１１Ａと反射板１２Ａは、これらの間における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を鉛直方向において保持した水平な状態に設置されている。

この第１の非接触搬送路１０Ａは、上記たわみ振動板１１Ａと反射板１２Ａで挟まれた直線状の空間を混合対象の液滴Ｐ１の非接触搬送路としたもので、上記駆動部１４Ａにより上記複数個の超音波振動子１３Ａを励振して上記たわみ振動板１１Ａを超音波振動させることにより、上記たわみ振動板１１Ａと上記反射板１２Ａにより挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に混合対象の液滴Ｐ１を捕捉し、上記駆動部１４Ａにより上記複数個の超音波振動子１３Ａを励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴Ｐ１を上記たわみ振動板１１Ａの長手方向に搬送する。

上記第１の非接触搬送路１０Ａには、上記たわみ振動板１１Ａと反射板１２Ａで挟まれた直線状の非接触搬送路の搬送路入口部分において、混合対象の液滴Ｐ１を捕捉する超音波定在波の節部の上方に位置し、混合対象の液滴Ｐ１を超音波定在波の節部に落下させて捕捉させるための開口１５Ａが上記反射板１２Ａに設けられている。上記開口１５Ａは、搬送対象が捕捉される位置、すなわち音響定在波節線上に近い位置とすればよい。

上記開口１５Ａを通って第１の非接触搬送路１０Ａに投入された混合対象の液滴Ｐ１は、自動的に音響定在波の節の位置に捕捉され、直線状の搬送路に沿って非接触搬送される。

そして、上記第１の非接触搬送路１０Ａは、捕捉した混合対象の液滴Ｐ１を非接触搬送して上記第３の非接触搬送路２０に渡す。

上記第１の非接触搬送路１０Ａにおける混合対象の液滴Ｐ１の捕捉及び非接触搬送の動作は、上記制御部５０により上記駆動部１４Ａの動作を制御することにより、制御される。

また、第２の非接触搬送路１０Ｂは、上記第１の非接触搬送路１０Ａと同様に、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板１１Ｂと、上記たわみ振動板１１Ｂと対向して水平な状態に設置された反射板１２Ｂと、上記たわみ振動板１１Ａを長手方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子１３Ｂと、上記複数個の超音波振動子１３Ｂを異なる位相の電気信号により励振する駆動部１４Ｂからなる。

上記たわみ振動板１１Ｂと反射板１Ｂは、これらの間における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を鉛直方向において保持した水平な設置されている。

この第２の非接触搬送路１０Ｂは、上記たわみ振動板１１Ｂと反射板１２Ｂで挟まれた直線状の空間を混合対象の液滴Ｐ２の非接触搬送路としたもので、上記駆動部１４Ｂにより上記複数個の超音波振動子１３Ｂを励振して上記たわみ振動板１１Ｂを超音波振動させることにより、上記たわみ振動板１１Ｂ上記反射板１２Ｂにより挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に混合対象の液滴Ｐ２を捕捉し、上記駆動部１４Ｂにより上記複数個の超音波振動子１３Ｂを励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴Ｐ２を上記たわみ振動板１１Ｂの長手方向に搬送する。

上記第２の非接触搬送路１０Ｂには、上記たわみ振動板１１Ｂと反射板１２Ｂで挟まれた直線状の非接触搬送路の搬送路入口部分において、混合対象の液滴Ｐ２を捕捉する超音波定在波の節部の上方に位置し、混合対象の液滴Ｐ２を超音波定在波の節部に落下させて捕捉させるための開口１５Ｂが上記反射板１２Ｂに設けられている。上記開口１５Ａは、搬送対象が捕捉される位置、すなわち音響定在波節線上に近い位置とすればよい。

上記開口１５Ｂを通って第２の非接触搬送路１０Ｂに投入された混合対象の液滴Ｐ２は、自動的に音響定在波の節の位置に捕捉され、直線状の搬送路に沿って非接触搬送される。

そして、上記第２の非接触搬送路１０Ｂは、捕捉した混合対象の液滴Ｐ２を非接触搬送して上記第３の非接触搬送路２０に渡す。

上記第２の非接触搬送路１０Ｂにおける混合対象の液滴Ｐ２の捕捉及び非接触搬送の動作は、上記制御部５０により上記駆動部１４Ｂの動作を制御することにより、制御される。

この非接触液滴混合装置１００において、上記第１の非接触搬送路１０Ａ及び第２の非接触搬送路１０Ｂは、その具体的な構成例を接触搬送路１０として図２に示すように、例えばジュラルミン製のたわみ振動板１１を備え、たわみ振動板１１の長手方向の両端部分にそれぞれ超音波ホーン１１１Ａ，１１１Ｂを介して連結板１１２に設けられた１対の超音波振動子１３Ａ，１３Ｂが接続されている。上記超音波ホーン１１１Ａ，１１１Ｂは、上記たわみ振動板１１に対してその長手方向両端部において長手方向と直交する状態で取付けられている。

上記１対の超音波振動子１３Ａ，１３Ｂは、例えば、それぞれ図示しないボルトによって締め付け固定されるリング状のピエゾ素子を備えた所謂ボルト締めランジュバン型振動子が使用されており、駆動用の電気信号が駆動部１４からピエゾ素子に印加されることにより励振されるようになっている。

上記駆動部１４は、駆動用の電気信号として、周波数が２０〜５０ｋＨｚ程度の２相の高周波信号（第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋θ)）を発生する信号発生器１４１と、上記第１の駆動信号cos(ωt)と第２の駆動信号cos(ωt＋θ)を増幅して上記１対の超音波振動子１３Ａ，１３Ｂに供給する２つの電力増幅器１４２Ａ，１４２Ｂと、上記第２の駆動信号cos(ωt＋θ)の位相θを可変制御する位相制御部１４３からなる。

この非接触搬送路１０では、駆動用の電気信号として、周波数が２０〜５０ｋＨｚ程度の高周波信号（第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋θ)）が駆動部４０から上記１対の超音波振動子１３Ａ，１３Ｂに供給されることにより励振される上記１対の超音波振動子１３Ａ，１３Ｂの超音波振動がそれぞれ超音波ホーン１１１Ａ，１１１Ｂにより増幅されて上記たわみ振動板１１に印加される。これにより、いくつかの共振周波数で上記たわみ振動板１１にたわみ振動を励振することができる。

ここで、上記１対の超音波振動子１３Ａ，１３Ｂは、上記たわみ振動板１１の自由振動における腹の位置を上記たわみ振動板１１を長手方向の２箇所において加振するようにすると、効率よく上記たわみ振動板１１にたわみ振動を励振することができる。

そして、この非接触搬送路１０では、上記たわみ振動板１１と反射板１２が対向して、これらの間における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置されているので、上記駆動部１４により上記１対の超音波振動子を励振して上記たわみ振動板１１を超音波振動させることにより、上記たわみ振動板１１と上記反射板１２により挟まれた空間に超音波定在波が形成され、図３に示すように、この超音波定在波の節部に混合対象の液滴Ｐを捕捉することができる。また、上記駆動部１４により上記１対の超音波振動子を励振させる電気信号、すなわち、周波数が２０〜５０ｋＨｚ程度の高周波信号（第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋θ)）の位相差を制御することにより、上記たわみ振動板１１を伝搬するたわみ波の進む方向やその強さを制御することができ、この非接触搬送路１０では、上記第２の駆動信号cos(ωt＋θ)の位相θを位相制御部４３により可変制御することにより、上記たわみ振動板１１と上記反射板１２により挟まれた空間に形成される超音波定在波の節の位置を上記反射板１２の長手方向の一次元上で任意の位置及び方向に変化させ、上記超音波定在波の節部に捕捉されている混合対象の液滴Ｐの空間位置を制御することができ、上記位相制御部１４３により上記第２の駆動信号cos(ωt＋θ)の位相θを連続的に変化させることにより、上記たわみ振動板１０を進行波超音波振動させ、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴Ｐを上記たわみ振動板１１の長手方向に非接触搬送することができる。上記たわみ振動板１１と上記反射板１２で挟まれた直線状の水平な空間が上記混合対象の液滴Ｐの搬送路となっている。

この非接触搬送路１０では、１対の超音波振動子１３Ａ，１３Ｂを電気信号により励振して、長尺な平板状に形成されたたわみ振動板１１を長手方向の２箇所において加振することにより超音波振動させ、上記たわみ振動板１１と反射板１２により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に混合対象の液滴Ｐを捕捉し、上記１対の超音波振動子１３Ａ，１３Ｂを励振させる電気信号の位相を制御することにより、図３に示すように、上記たわみ振動板１１を進行波超音波振動させ、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴Ｐを上記たわみ振動板１１の長手方向に搬送することができる。

ここで、上記反射板１２は、音波を十分に反射する材質であればよく、厚さ１ｍｍ程度の一般的なアルミニウム板やアクリル板などを使用することができる。

また、この非接触液滴混合装置１００において、上記第３の非接触搬送路２０は、リング状のたわみ振動板２１と、上記たわみ振動板２１と対向して水平な状態に設置された反射板２２と、上記たわみ振動板２１を円周方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子２３と、上記複数個の超音波振動子２３を異なる位相の電気信号により励振する駆動部２４とを備える。

上記たわみ振動板２１と反射板２２は、これらの間における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を鉛直方向において保持した水平な状態に設置されている。

この第３の非接触搬送路２０は、上記たわみ振動板２１と反射板２２で挟まれたリング状の空間を混合対象の液滴Ｐの非接触搬送路としたもので、上記駆動部２４により上記複数個の超音波振動子を励振して上記たわみ振動板２１を超音波振動させることにより、上記たわみ振動板２１と上記反射板２２により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に混合対象の液滴Ｐを捕捉し、上記駆動部２４により上記複数個の超音波振動子２３を励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴Ｐを上記たわみ振動板２１の円周方向に搬送する。

上記第３の非接触搬送路２０は、その具体的な構成例を図４に示すように、例えばそれぞれ所謂ボルト締めランジュバン型振動子を使用した二対の超音波振動子２３Ａ・２３Ｂ、１２３Ａ・１２３Ｂを備える。上記駆動部２４は、周波数が２０〜５０ｋＨｚ程度の４相の高周波信号（第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋π)、第３の駆動信号sin(ωt)、第４の駆動信号sin(ωt＋π))を駆動用の電気信号とし、上記リング形状のたわみ振動板２１の円周方向の対向する位置において、超音波振動子２３Ａ・２３Ｂを逆位相の高周波信号（第１の駆動信号cos(ωt)、第２の駆動信号cos(ωt＋π)）にて励振するとともに、超音波振動子１２３Ａ・１２３Ｂを逆位相の高周波信号（第３の駆動信号sin(ωt)、第４の駆動信号sin(ωt＋π))にて励振することにより、図５に示すように、上記たわみ振動板２１の進行波超音波振動を周回させ、上記リング状の搬送路に沿って上記混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２を搬送することができる。

この非接触液滴混合装置１００において、上記第３の非接触搬送路２０は、上記第１の非接触搬送路１０Ａを介して非接触搬送されてくる混合対象の液滴Ｐ１と、上記第２の非接触搬送路１０Ｂを介して非接触搬送されてくる混合対象の液滴Ｐ２を、上記たわみ振動板２１と上記反射板２２で挟まれた空間に発生される超音波定在波の複数の節部に混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２を捕捉し、個別に受け取った後、上記混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２を上記リング状の搬送路に沿って高速で非接触搬送する。

上記第３の非接触搬送路２０において、上記超音波定在波の複数の節部に捕捉された混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２は、上記リング状の搬送路に沿って高速で非接触搬送されることにより、混合されて複数の節部に分散して捕捉された状態になる。

そして、上記高速非接触搬送動作により得られる液滴Ｐ１，Ｐ２を混合した液滴Ｐ３は、上記第３の非接触搬送路２０のリング状の搬送路に沿って非接触搬送され、上記第２非接触搬送路２０から第４の非接触搬送路３０に受け渡される。

上記第３の非接触搬送路２０における混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２の捕捉動作、混合のための高速非接触搬送動作、受け渡しのための非接触搬送動作は、上記制御部５０により上記駆動部２４の動作を制御することにより行われ、上記混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２の量や粘性などに応じて超音波振動子２３の励振周波数や励振強度が適切に制御される。

上記第４の非接触搬送路３０は、長尺な平板状に形成され直線状のたわみ振動板３１と、上記たわみ振動板３１と対向して水平な状態に設置された反射板３２と、上記たわみ振動板３１を長手方向の複数箇所において加振する複数個の超音波振動子３３と、上記複数個の超音波振動子３３を異なる位相の電気信号により励振する駆動部３４とを備える。

上記たわみ振動板３１と反射板３２は、これらの間における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を鉛直方向において保持した水平な水平に設置されている。

この第４の非接触搬送路３０は、上記たわみ振動板３１と反射板３２で挟まれた直線状の空間を上記第３の非接触搬送路２０から受け渡される液滴Ｐ３の非接触搬送路としたもので、上記駆動部３４により上記複数個の超音波振動子３３を励振して上記たわみ振動板３１を超音波振動させることにより、上記たわみ振動板３１と上記反射板３２により挟まれた空間に発生される超音波定在波の節部に上記液滴Ｐ３を捕捉し、上記駆動部３４により上記複数個の超音波振動子３３を励振させる電気信号の位相を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した上記液滴Ｐ３を上記たわみ振動板３１の長手方向に搬送する。

上記第４の非接触搬送路３０には、上記たわみ振動板３１と反射板３２で挟まれた直線状の非接触搬送路の搬送路出口部分において、上記混合された液滴Ｐ３を捕捉する超音波定在波の節部の下方に位置し、上記液滴Ｐ３を超音波定在波の節部から落下させて取り出すための開口３５が上記反射板３２設けられている。

そして、上記第４の非接触搬送路３０を介して非接触搬送された上記液滴Ｐ３は、この第４の非接触搬送路３０の搬送路出口部分において、当該液滴Ｐ３を節部に捕捉している超音波定在波の発生を停止させて捕捉をとくことにより、節部の下方に落下させて上記開口３５を介して取り出される。

ここで、上記非接触液滴混合装置１００において、第１乃至第４の非接触搬送路１０Ａ，１０Ｂ，２０，３０は、各たわみ振動板１１Ａ，１１Ｂ，２１，３１と反射板１２Ａ，１２Ｂ，２２，３２がこれらの間における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を鉛直方向において保持した水平な状態に設置されているが、各たわみ振動板１１Ａ，１１Ｂ，２１，３１と反射板１２Ａ，１２Ｂ，２２，３２をこれらの間における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を水平方向において保持した垂直な状態に設置するようにしても、混合対象の液滴Ｐを節部に捕捉して非接触搬送することができる。この場合、混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２を超音波定在波の節部に落下させて捕捉させるための開口１５Ａ，１５Ｂ及び混合された液滴Ｐ３を取り出すための開口３５を省略することができる。

さらに、図６に示す非接触液滴混合装置２００のように、同心異径の円環状に形成され、水平軸を中心とした同軸状に設置されたたわみ振動板１１１と反射板１１２の相対向する周面で挟まれたリング状の空間に発生される超音波定在波の複数の節部の内の上方に位置する少なくとも２箇所の節部に混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２を捕捉し、上記超音波定在波の発生状態を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２を下方に隣接して位置する節部に移動させて混合することもできる。

この非接触液滴混合装置２００は、円環形状のたわみ振動板１２１と、上記たわみ振動板３１１と外周面が対向する同心異径の円環形状の反射板１２２と、上記たわみ振動板２２１を外周部から加振する超音波振動子１２３と、上記超音波振動子１２３を電気信号により励振する駆動部１２４と、上記駆動部１２４の動作を制御する制御部１２５からなる。

この非接触液滴混合装置２００において、上記円環形状のたわみ振動板１２１には内径５３ｍｍ、外径６１．５ｍｍのアルミニウム製円環を用い、上記反射板１２２には内径２８ｍｍ、外径３８ｍｍのアクリル製円環を用いた。そして、上記たわみ振動板１２１の外周面にキャップボルトにより先端が固定された超音波ホーン１２３Ａを有するボルト締めランジュバン振動子１２３により、２５．９ｋＨｚの呼吸振動を励振し、上記たわみ振動板２１１と反射板２１２の相対向する周面で挟まれたリング状の空間に超音波定在波を発生させることにより、上記超音波定在波の複数の節部の内の上方に位置する少なくとも２箇所の節部に混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２を捕捉することができ、上記リング状の空間に発生される超音波定在波による非接触搬送路１２０を構成した。

上記混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２は、それぞれ霧化させた状態で上記超音波定在波の複数の節部の内の上方に位置する２箇所の節部に個別に導入することにより、捕捉され凝縮される。

この非接触液滴混合装置２００では、リング状の空間に発生される超音波定在波により、複数の液滴Ｐ１，Ｐ２を捕捉するために、図７に示すような１つの節円と１２の接線を有する音場モードを使用した。

上記非接触液滴混合装置２００において、上記混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２として水を用いて実験を行ったところ、リング状の空間に発生される超音波定在波の節付近で混合対象の液体を霧化することで、２つの液滴Ｐ１，Ｐ２を節部に捕捉し別々に浮揚させることができ、上記超音波定在波の発生状態を制御することにより、図８の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に示すように、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴Ｐ１，Ｐ２を下方に隣接して位置する節部に移動させて混合することができた。

ここで、２つの節部に捕捉し別々に浮揚させた２つの液滴Ｐ１，Ｐ２を混合する方法としては、
（１）退縮モードを９０°位相差で励振し、周方向進行波を発生させる方法
（２）浮揚中に駆動周波数を切り替え、音場モードを変更する方法
（３）振動子又は反射板を動かすことで、音場強度又は音場モードを変更する方法
（４）駆動電圧に変調をかけることで、音場強度又は音場モードを変更する方法
などがある。

この非接触液滴混合装置２００では、（３）の方法を採用し、振動板３１１を動かすことで、音場強度又は音場モードを変更することとした。

図８の（Ａ）は、上記非接触液滴混合装置２００において、２つの節部に液滴Ｐ１，Ｐ２を捕捉し別々に浮揚させた状態を示している。

図８の（Ｂ）は、上記非接触液滴混合装置２００において、２つの節部に液滴Ｐ１，Ｐ２を捕捉し別々に浮揚させた状態で、振動子２１１を揺らすことにより液滴Ｐ１，Ｐ２を動かした状態をしている。

図８の（Ｃ）は、上記非接触液滴混合装置２００において、振動子１２１を揺らして液滴Ｐ１，Ｐ２を動かすことにより、２つ液滴Ｐ１，Ｐ２が触れ合い表面張力で結合した状態を示している。

図８の（Ｄ）は、上記非接触液滴混合装置２００において２つ液滴Ｐ１，Ｐ２の混合状態を示している。

ここで、上記非接触液滴混合装置２００における上記リング状の空間に発生される超音波定在波による非接触搬送路１２０について、レーザドップラ振動計を用いて音場分布測定を行ったところ、角度による音圧の変化すなわち周方向の音場分布は図９のように示される。すなわち、振動板１２１と反射板１２２の角度９０°における距離Ｌが７．５ｍｍの場合と１０ｍｍの場合では、中心の合ったＬ＝７．５ｍｍの方が音圧が大きい。混合を行った９０°付近では距離Ｌの変化によっての節の移動はあまり見られない。

また、振動板１２１と反射板１２２の距離Ｌと音圧の関係は、図１０のように示される。上記非接触液滴混合装置２００では、Ｌ＝７ｍｍの前後で最大音圧が大きく変化しており、振動板１２１が下がったときに、一時的に音圧が低くなり、音響放射力が低下し、重力により周方向に移動して混合が行われる。その後、振動板１２１が元の位置に戻ったときに、再び音圧が大きくなり、９０°方向の強い音場に捕捉される。

音圧ｐと測定値の粒子速度ν_ＬＤＶの関係は、次の式（１）

のようになる。

式（１）において、ｎは空気の屈折率、ρは空気の密度、ｌは音場の長さ、ｃは音速（ただし、空気中、１５℃，光波長６３３ｎｍ、１気圧、ｌ＝３０ｍｍとして計算した。）

また、上記非接触液滴混合装置２００における上記リング状の空間に発生される超音波定在波による非接触搬送路１２０で節部に液滴Ｐとして水を捕捉し浮揚させた状態で、液滴Ｐに水性インクを少量加えて観測した時間変化の様子を図１１の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す。

節部に捕獲して浮揚している液滴Ｐは、回転しており、水性インクを加えた直後は、図１１の（Ｂ）に示すように、液滴Ｐの中心部に留まっているが、その後、図１１の（Ｃ）に示すように、中心部のインクが全体に拡散していく。

したがって、上記非接触液滴混合装置１００，２００では、２つ液滴Ｐ１，Ｐ２の混合した液体Ｐ３を攪拌する効果もある。

１０Ａ，１０Ｂ，２０，３０，１２０非接触搬路、１１Ａ，１１Ｂ，２１，３１，１３１，１２１たわみ振動板、１２Ａ，１２Ｂ，２２，３２，１２２反射板、１３，１３Ａ，１３Ｂ，２３，２３Ａ，２３Ｂ，３３，１２３超音波振動子、１４Ａ，１４Ｂ，２４，３４，１２４駆動部、５０，１２５制御部、１００，２００非接触液滴混合装置、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３液滴

Claims

円環状に形成されたたわみ振動板と、
上記たわみ振動板と同心の円環状に形成され、上記たわみ振動板と対向してその空間における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板と、
上記たわみ振動板を加振する超音波振動子と、
上記超音波振動子を電気信号により励振する駆動部と、
上記駆動部により上記超音波振動子を励振して上記たわみ振動板を超音波振動させることにより上記たわみ振動板と上記反射板で挟まれた円環状の空間に発生される超音波定在波の発生状態を制御する制御手段と
を備え、
上記たわみ振動板と上記反射板で挟まれた空間に発生される超音波定在波の複数の節部に混合対象の液滴を捕捉し、上記制御手段で上記超音波定在波の発生状態を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を隣接する節部に移動させて混合することを特徴とする非接触液滴混合装置。
上記制御手段は、上記円環状の空間に発生される超音波定在波の強度を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を隣接する節部に移動させて混合することを特徴とする請求項１に記載の非接触液滴混合装置。
上記制御手段は、上記円環状の空間に発生される超音波定在波のモードを制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を隣接する節部に移動させて混合することを特徴とする請求項１に記載の非接触液滴混合装置。
同心異径の円環状に形成され、水平軸を中心とした同軸状に設置された上記たわみ振動板と上記反射板の相対向する周面で挟まれたリング状の空間に発生される超音波定在波の複数の節部の内の上方に位置する少なくとも２箇所の節部に混合対象の液滴を捕捉し、
上記制御手段で上記超音波定在波の発生状態を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を下方に隣接して位置する節部に移動させて混合することを特徴とする請求項１又は請求項２の何れか１項に記載の非接触液滴混合装置。
上記円環状に形成されたたわみ振動板を複数個の上記超音波振動子により複数箇所において加振し、
上記制御手段は、上記駆動部により上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御し、上記たわみ振動板の周方向の進行波超音波振動を伝搬させ、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を周回させて混合することを特徴とする請求項１に記載の非接触液滴混合装置。
円環状に形成されたたわみ振動板と、上記たわみ振動板と同心の円環状に形成され、上記たわみ振動板と対向してその空間における音波の半波長の整数倍と等しい所定の間隔を保持した状態に設置された反射板で挟まれた空間に、上記たわみ振動板を超音波振動させることにより発生される超音波定在波の複数の節部に混合対象の液滴を捕捉し、
上記超音波定在波の発生状態を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を隣接する節部に移動させて混合する
ことを特徴とする非接触液滴混合方法。
上記円環状の空間に発生される超音波定在波の強度を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を隣接する節部に移動させて混合することを特徴とする請求項６に記載の非接触液滴混合方法。
上記円環状の空間に発生される超音波定在波のモードを制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を隣接する節部に移動させて混合することを特徴とする請求項６に記載の非接触液滴混合方法。
同心異径の円環状に形成され、水平軸を中心とした同軸状に設置された上記たわみ振動板と上記反射板の相対向する周面で挟まれたリング状の空間に発生される超音波定在波の複数の節部の内の上方に位置する少なくとも２箇所の節部に混合対象の液滴を捕捉し、
上記超音波定在波の発生状態を制御することにより、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を下方に隣接して位置する節部に移動させて混合することを特徴とする請求項６又は請求項７の何れか１項に記載の非接触液滴混合方法。
上記円環状に形成されたたわみ振動板を複数個の上記超音波振動子により複数箇所において加振し、
上記複数個の超音波振動子を励振させる電気信号の位相を制御し、上記たわみ振動板の周方向の進行波超音波振動を伝搬させ、上記超音波定在波の節部に捕捉した混合対象の液滴を周回させて混合することを特徴とする請求項６に記載の非接触液滴混合方法。