JP2014150594A - 表面弾性波発生装置、及び、液体又は粉粒体の輸送方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の電極層を用いて、表面弾性波の伝搬方向と同じ方向、表面弾性波の伝搬方向と反対の方向、及び、表面弾性波の伝搬方向と交差する方向のうちいずれか一つ以上の方向に液体又は粉粒体を輸送可能な表面弾性波発生装置、及び、液体又は粉粒体の輸送方法を得る。
【解決手段】表面弾性波発生装置１は、圧電基板２と、前記圧電基板２の一方の面において前記圧電基板２の結晶面方位に合わせた位置に形成され、粉粒体Ｐを輸送可能な表面弾性波を前記粉粒体Ｐに向けて伝搬可能な電極層３と、前記電極層３を駆動可能な駆動周波数を制御することによって、前記表面弾性波の伝搬方向と同じ方向、前記伝搬方向と反対の方向、及び、前記伝搬方向と交差する方向のうちいずれか一つ以上の方向に前記粉粒体Ｐを輸送可能な周波数制御部４と、を備えることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面弾性波（SAW：Surface acoustic wave）を利用した表面弾性波発生装置、及び、液体又は粉粒体の輸送方法に関するものである。

近年、医療又は環境測定の分野において、少量のサンプルで一連の処理を短時間に行うことができるという利点から、微小化学分析システム（μTAS：Micro Total Analysis System）が注目されている。特に、Lab-on-a-Chip（Laboratory on a Chip）と呼ばれるようなμTASでは、ワンチップ上にポンプ、バルブ、混合器、及び、センサ等の複数の小型デバイスを集積化するために、各デバイスにおける製作プロセスの簡略化が望まれている。各デバイスの中でも、ダイヤフラムポンプ等の流体駆動デバイスは使用頻度が高く、その構造が複雑であることから、製作プロセスの簡略化への要請が特に強い。

一方、弾性体の表面だけにエネルギーが集中して伝搬する音波（表面弾性波）を利用したアクチュエータ及びセンサが報告されている。表面弾性波の伝播面に対象物を置くと、表面弾性波が対象物に作用することで、対象物の駆動、及び、表面弾性波の減衰といった現象が起こる。上記アクチュエータ及びセンサは、これらの現象を利用している。この表面弾性波は、圧電基板上に製作した櫛歯電極（IDT：Interdigital transducer）に高周波電圧を印加することで発生する。この櫛歯電極は構造が非常に簡単で，半導体プロセス技術によって容易に製作することができる。すなわち、表面弾性波を用いたデバイスは、μTASなどのマイクロシステムへの応用に適している。

他方、従来から、表面弾性波を利用して液滴及び物体を移動可能な表面弾性波アクチュエータが知られている（特許文献１参照）。この表面弾性波アクチュエータ（図１参照）は、表面弾性波を発生可能な圧電基板１と、表面弾性波を励振可能な櫛形電極２と、表面弾性波を伝搬可能な伝搬路３と、表面弾性波の放射を直接受ける液滴４と、液滴と共に移動する物体５と、を備えている。そして、圧電基板１の表面上に複数の櫛形電極２を設けた場合に、上記表面弾性波アクチュエータは、液滴４及び物体５を平面上の任意の方向に移動可能な構成となっている（明細書段落０００９参照）。

特開平１０−３２７５９０号公報

ところで、図１中の矢印Ａ，Ｂは、圧電基板１の表面上に単一の櫛形電極２を設けた際の、表面弾性波の放射方向、及び、液滴４及び物体５の移動方向をそれぞれ示している。これらの矢印Ａ，Ｂに示されるように、表面弾性波の放射方向Ａと、液滴４及び物体５の移動方向Ｂとは鋭角をなしている。つまり、圧電基板１の表面上に単一の櫛形電極２を設けた際には、従来の表面弾性波アクチュエータは、表面弾性波の放射方向と鋭角をなす方向に液滴４及び物体５を移動させることができるに過ぎない。

このため、圧電基板１の表面上に単一の櫛形電極２を設けた際に、従来の表面弾性波アクチュエータでは、液滴４及び物体５を、表面弾性波の伝搬方向と同じ方向に移動させたり、表面弾性波の伝搬方向と反対の方向に移動させたり、表面弾性波の伝搬方向と交差する方向に移動させたりすることはできなかった。

そこで、本発明は、単一の電極層を用いて、表面弾性波の伝搬方向と同じ方向、表面弾性波の伝搬方向と反対の方向、及び、表面弾性波の伝搬方向と交差する方向のうちいずれか一つ以上の方向に液体又は粉粒体を輸送可能な表面弾性波発生装置、及び、液体又は粉粒体の輸送方法を提供することを目的とするものである。

（１） 本発明の表面弾性波発生装置は、圧電基板と、前記圧電基板の一方の面において前記圧電基板の結晶面方位に合わせた位置に形成され、液体又は粉粒体を輸送可能な表面弾性波を前記液体又は前記粉粒体に向けて伝搬可能な電極層と、前記電極層を駆動可能な駆動周波数を制御することによって、前記表面弾性波の伝搬方向と同じ方向、前記伝搬方向と反対の方向、及び、前記伝搬方向と交差する方向のうちいずれか一つ以上の方向に前記液体又は前記粉粒体を輸送可能な周波数制御部と、を備えることを特徴とするものである。ここでの「伝搬方向と交差する方向」とは、「表面弾性波の伝搬方向に対して右側へ向かう方向」、及び、「表面弾性波の伝搬方向に対して左側へ向かう方向」を含む。

上記（１）の構成によれば、圧電基板の結晶面方位に着目し、該結晶面方位に合わせた位置に電極層を形成することで、液体又は粉粒体の輸送に適した位置に電極層を設置することができる。その結果、電極層の設置位置と駆動周波数の組み合わせによって、表面弾性波の伝搬方向と同じ方向、表面弾性波の伝搬方向と反対の方向、及び、表面弾性波の伝搬方向と交差する方向のうちいずれか一つ以上の方向への液体又は粉粒体の輸送を単一の電極層のみを用いて容易に実現することができる。

（２） 上記（１）の表面弾性波発生装置においては、前記結晶面方位の方向が、前記圧電基板及び前記電極層の積層方向と同じ方向であって、前記電極層が、前記結晶面方位の方向と直交する方向に対して所定角度をなす位置に形成されることが好ましい。ここでの「所定角度」は、０°、３０°、６０°、及び、９０°のいずれかに設定されることが好ましい。

上記（２）の構成によれば、結晶面方位の方向と直交する方向を基準とした角度の調整によって、電極層の位置を決定できるので、液体又は粉粒体の輸送に適した位置に電極層を容易に設置することができる。

（３） 上記（１）又は（２）の表面弾性波発生装置においては、前記液体又は前記粉粒体の輸送方向を示す輸送方向情報を、前記駆動周波数を示す駆動周波数情報に対応付けて記憶可能な輸送方向情報記憶部を備え、前記周波数制御部が、前記輸送方向情報記憶部に記憶されている駆動周波数情報に基づいて、前記駆動周波数を制御することが好ましい。

上記（３）の構成によれば、液体又は粉粒体の輸送方向情報に対応付けて予め記憶されている駆動周波数情報に基づいて、駆動周波数を制御することで、表面弾性波の伝搬方向と同じ方向、表面弾性波の伝搬方向と反対の方向、及び、表面弾性波の伝搬方向と交差する方向のうちいずれか一つ以上の方向に液体又は粉粒体を確実に輸送することができる。

（４） 上記（３）の表面弾性波発生装置においては、前記輸送方向情報が、前記液体又は前記粉粒体の輸送速度を前記電極層の駆動電力で除すことで得られる前記液体又は前記粉粒体の輸送効率を示す輸送効率情報に対応付けられて、前記輸送方向情報記憶部に記憶されていることが好ましい。

上記（４）の構成によれば、液体又は粉粒体の輸送方向情報及び輸送効率情報に対応付けて予め記憶されている駆動周波数情報に基づいて、駆動周波数を制御することで、液体又は粉粒体の輸送方向ごとに液体又は粉粒体の輸送効率を調整することできる。その結果として、表面弾性波発生装置の使用状況に応じて、液体又は粉粒体の輸送距離を短くしたり、長くしたりすることによって、液体又は粉粒体の輸送距離を調整できるので、液体又は粉粒体の位置合わせを容易に実現できる。さらに、駆動周波数に対して増幅処理を施すことで、液体又は粉粒体の輸送可能範囲を広げることができる。その結果として、液体又は粉粒体の輸送をより大きな範囲内で実現でき、表面弾性波発生装置の使用状況に応じて、液体又は粉粒体の柔軟な輸送制御を実現できる。

（５） 本発明の液体又は粉粒体の輸送方法は、液体又は粉粒体を輸送可能な表面弾性波を前記液体又は前記粉粒体に向けて伝搬可能な電極層を、前記電極層において反射する反射電力と、前記電極層に入射される入射電力との比である反射損失のピークに対応する駆動周波数で駆動可能な位置に設ける工程と、前記駆動周波数で前記電極層を駆動させて、前記電極層から前記液体又は前記粉粒体に向けて前記表面弾性波を伝搬させることによって、前記表面弾性波の伝搬方向と同じ方向、前記伝搬方向と反対の方向、及び、前記伝搬方向と交差する方向のうちいずれか一つ以上の方向に前記液体又は前記粉粒体を輸送する工程と、を含むことを特徴とするものである。ここでの「伝搬方向と交差する方向」とは、上記（１）と同様に、「表面弾性波の伝搬方向に対して右側へ向かう方向」、及び、「表面弾性波の伝搬方向に対して左側へ向かう方向」を含む。

上記（５）の構成によれば、反射損失のピークに対応する駆動周波数に着目し、該駆動周波数で駆動可能な位置に電極層を設けることで、液体又は粉粒体の輸送に適した位置に電極層を設置することができる。その結果、反射損失のピークに対応する駆動周波数で電極層を駆動させることによって、表面弾性波の伝搬方向と同じ方向、表面弾性波の伝搬方向と反対の方向、及び、表面弾性波の伝搬方向と交差する方向のうちいずれか一つ以上の方向への液体又は粉粒体の輸送を単一の電極層のみを用いて容易に実現することができる。

本発明の一実施形態に係る表面弾性波発生装置１の要部構成を示す説明図である。 櫛歯電極３と、圧電基板２の結晶面方位の方向（ＯＦ）との位置関係を示す説明図である。 実験用に製作された表面弾性波発生装置の写真を示している。 櫛歯電極３Ａ〜３Ｄを用いた表面弾性波発生装置について、反射損失ＲＬ[ｄＢ]の周波数特性を測定した結果をそれぞれ示している。 粉粒体Ｐとして用いた無水タングステン酸の粉末の写真を示している。 表面弾性波発生装置１による粉粒体Ｐ１の輸送の様子を撮影した時系列の写真の一例を示している。 表面弾性波発生装置１による粉粒体Ｐ２の輸送の様子を撮影した時系列の写真の一例を示している。 表面弾性波発生装置１による粉粒体Ｐ３の輸送の様子を撮影した時系列の写真の一例を示している。 （ａ）は、櫛歯電極のピッチ幅と反射損失との関係の調査に使用した櫛歯電極の形状を示した概略図である。（ｂ）は、ピッチ幅を２００［μｍ］とした場合の反射損失特性を示したグラフである。（ｃ）は、ピッチ幅を４００［μｍ］とした場合の反射損失特性を示したグラフである。 （ａ）は、櫛歯電極のピッチ幅と、粉粒体の輸送速度との関係の調査に用いた粉粒体の詳細を示した表である。（ｂ）は、粉粒体の輸送速度の特性を示したグラフである。

以下、図１〜図１０を参照しながら、本発明の一実施形態に係る表面弾性波発生装置、及び、液体又は粉粒体の輸送方法について説明する。

（表面弾性波発生装置１の構成）
図１及び図２に示すように、表面弾性波発生装置１は、圧電基板２と、櫛歯電極（電極層）３と、周波数制御部４と、輸送方向情報記憶部５と、ハイビジョンカメラ６と、を備えているものである。なお、表面弾性波発生装置１による輸送対象となる粉粒体Ｐは、図１に示すように、圧電基板２の一方の面２ａにおける所定位置に配置されているものである。

（圧電基板２の構成）
圧電基板（piezoelectric substrate）２は、粉粒体Ｐを輸送可能な表面弾性波を伝搬可能なニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、水晶、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ケイ酸ビスマス（ＢＳＯ）、ゲルマン酸ビスマス（ＢＧＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜などの圧電材料からなるものである。また、図２に示すように、圧電基板２の結晶面方位の方向ＯＦ（Orientation Flat）は、圧電基板２及び櫛歯電極３の積層方向と同じ方向となっている。

（櫛歯電極３の構成）
櫛歯電極３は、表面弾性波を発生可能なＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔなどの金属、又は、これらの金属の合金からなるものであり、図１に示すように、圧電基板２の一方の面２ａにおいて表面弾性波を粉粒体Ｐに向けて伝搬可能に形成されているものである。なお、図１中の太線で示す矢印は、櫛歯電極３から粉粒体Ｐに向けて伝搬される表面弾性波の伝搬方向Ｄを示している。また、櫛歯電極３は、図１に示すように、直線状の基端部３ａと、該基端部３ａに対して略直交する方向に夫々櫛歯状に延びる複数本の細幅状の櫛歯部３ｂと、を備えている。また、櫛歯電極３は、図２に示すように、上記結晶面方位の方向ＯＦと直交する方向に対して所定角度θ[°]をなす位置に形成されている。ここでの所定角度θ[°]は、粉粒体Ｐの輸送方向に応じて、０[°]、３０[°]、６０[°]、及び、９０[°]のいずれかに設定されるものである。

（周波数制御部４の構成）
周波数制御部４は、櫛歯電極３を駆動可能な駆動周波数（Drive frequency）ｆＤ[Ｈｚ]を制御することによって、図１に示す表面弾性波の伝搬方向Ｄと同じ方向、伝搬方向Ｄと反対の方向、及び、伝搬方向Ｄと交差する方向のうちいずれか一つ以上の方向に粉粒体Ｐを輸送可能に構成されているものであって、信号発生器４０と、増幅器４１と、パワーメーター４２と、を備えているものである。

信号発生器４０は、上記駆動周波数ｆＤ[Ｈｚ]を有する駆動信号を生成可能に構成されている。なお、該駆動周波数ｆＤ[Ｈｚ]を示す駆動周波数情報は、後述するように、輸送方向情報記憶部５に予め記憶されているものである。

増幅器４１は、信号発生器４０で発生した駆動信号を所定の増幅率で増幅可能であって、増幅した駆動信号を入射エネルギーＰＩとして櫛歯電極３に出力可能に構成されている。

パワーメーター４２は、増幅器４１から櫛歯電極３への入射エネルギーＰＩと、櫛歯電極３から増幅器４１への反射エネルギーＰＲとを電力値[Ｗ]として測定可能であって、以下の式（１）に示すように、入射エネルギーＰＩ[Ｗ]と反射エネルギーＰＲ[Ｗ]の差分を、櫛歯電極３の駆動エネルギーＰＡ[Ｗ]として測定可能に構成されている。
ＰＡ＝ＰＩ−ＰＲ・・・・（１）

（輸送方向情報記憶部５の構成）
輸送方向情報記憶部５は、粉粒体Ｐの輸送方向を示す輸送方向情報をルックアップテーブル（Lookup table）として記憶可能に構成されている。該輸送方向情報は、駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]を示す駆動周波数情報と、以下の式（２）に示す粉粒体Ｐの輸送効率（Transport efficiency）η[ｍｍ／ｓ／Ｗ]を示す輸送効率情報と、に対応付けられて、輸送方向情報記憶部５に予め記憶されている。なお、上記ルックアップテーブルの詳細については以下の表１〜４を用いて後述する。ここで、式（２）中のｖ[ｍｍ／ｓ]は、粉粒体Ｐの輸送速度[ｍｍ／ｓ]を示し、ＰＡ[Ｗ]は、櫛歯電極３の駆動エネルギー[Ｗ]を示している。なお、ここでの輸送効率η[ｍｍ／ｓ／Ｗ]は、ハイビジョンカメラ６の分解能によって観測可能な粉粒体Ｐの粒子径等に限界があり真値と異なることを考慮して、本発明者が取り上げた輸送量を表す一つの目安である。
η＝ｖ／ＰＡ・・・・（２）

（ハイビジョンカメラ６の構成）
ハイビジョンカメラ６は、粉粒体Ｐの輸送を動画として記録可能に構成されているものである。

次に、実施例により本発明を具体的に説明する。ここでは、上記駆動周波数ｆＤ[Ｈｚ]と、粉粒体Ｐの輸送方向との関係を調査し、本実施形態に係る表面弾性波発生装置１（図１参照）の有用性を検討した実験結果について説明する。なお、本発明は、本実施例に限定されるものではない。

（表面弾性波発生装置の製作について）
本発明者は、本実験に使用する表面弾性波発生装置をリソグラフィ技術によって製作した。まず、圧電基板２として、カットアングルが１２７.８ ゜回転Ｙカットであって、伝搬方向がＸ伝搬のＬｉＮｂＯ_３からなる圧電基板を準備した。ここで、圧電基板２の厚さは、５００[μｍ]（±３０[μｍ]）とし、圧電基板２の表面粗さは、０．３[ｎｍ]以下とした。次に、高周波スパッタリング法（radio frequency
sputtering）によって、圧電基板２の一方の面２ａに対して、Ｃｒ及びＡｌの順に成膜処理を施し、櫛歯電極３の前駆体層を形成した。ここで、該前駆体層のうち、Ｃｒからなる層の膜厚は５０[ｎｍ]とし、Ａｌからなる層の膜厚は１０００[ｎｍ]とした。次に、上記前駆体層において圧電基板２が形成されている側と反対側の面に、ポジ型のフォトレジスト（東京応化工業（株）製のOFPR-800（商品名））を塗布し、紫外線（ＵＶ）露光により現像液への溶解性が増大するフォトレジストの特性に基づき、フォトレジスタに櫛歯電極３の配線パターンを転写した。そして、上記前駆体層において圧電基板２が形成されている側と反対側の面に、該配線パターンに基づいたエッチング処理を施し、圧電基板２の一方の面２ａに櫛歯電極３を形成した。

図３は、上記の手順で製作した表面弾性波発生装置の写真を示している。図３に示すように、本発明者は、４インチサイズのウェハ上に４つの櫛歯電極３Ａ〜３Ｄを形成した。ここでは、各櫛歯電極３Ａ〜３Ｄを、ウェハの結晶面方位の方向ＯＦ（図２参照）と直交する方向に対して、０[°]、３０[°]、６０[°]、及び、９０[°]をなす位置にそれぞれ形成した。また、本発明者は、過去の実績を踏まえて、各櫛歯電極３Ａ〜３Ｄにおいて、櫛歯部３ｂのピッチ幅を２００[μｍ]とし、櫛歯部３ｂの開口幅を５[ｍｍ]とし、櫛歯部３ｂの対数を２０とした。また、各櫛歯電極３Ａ〜３Ｄの近傍に、ＳＡＭ（Sub
Miniature Type A）端子を設けることにより、反射エネルギーＰＲ[Ｗ]の低減、及び、再現性の確立等を考慮した。なお、櫛歯電極３とＳＡＭ端子は、ガラスエポキシ製のプリント基板の配線を介して、ボンディングワイヤと導線により電気的に接続されている。

（表面弾性波発生装置の駆動周波数ｆＤについて）
次に、本発明者は、各櫛歯電極３Ａ〜３Ｄ（図３参照）を用いた表面弾性波発生装置の周波数特性を調べるため、アンテナアナライザー（Rig Expert社製のAA-230PRO（商品名））を用いて反射損失ＲＬ（Return Loss）[ｄＢ]を測定した。図４（ａ）〜（ｄ）は、櫛歯電極３Ａ〜３Ｄを用いた表面弾性波発生装置について、反射損失ＲＬ[ｄＢ]の周波数特性を測定した結果をそれぞれ示している。ここで、図４（ａ）〜（ｄ）の横軸は、駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]を示し、縦軸は、反射損失ＲＬ[ｄＢ]を示している。ここでの反射損失ＲＬ[ｄＢ]は、入射エネルギー（入射電力）ＰＩ[Ｗ]に対する反射エネルギー（反射電力）ＰＲ[Ｗ]の比（各櫛歯電極３Ａ〜３Ｄにおいて反射する反射エネルギーＰＲ[Ｗ]と、各櫛歯電極３Ａ〜３Ｄに入射される入射エネルギーＰＩ[Ｗ]との比）を対数表示した値であって、反射損失ＲＬ[ｄＢ]が大きいほど、各櫛歯電極３Ａ〜３Ｄに供給される電力の比率が大きいことを示している。

図４（ａ）を見ると、櫛歯電極３Ａを用いた表面弾性波発生装置では、まず、１９．１[ＭＨｚ]で反射損失ＲＬ[ｄＢ]のピークを確認することができる。さらに、４０．５[ＭＨｚ]から３．７[ＭＨｚ]程度の間隔で連続した反射損失ＲＬ[ｄＢ]のピークを確認することができる。なお、短冊状の基板（４７×１５[ｍｍ])上に製作した表面弾性波発生装置においても、これらとほぼ同じ反射損失ＲＬ[ｄＢ]のピークに対応する駆動周波数が存在し、その差異は数百[ｋＨｚ]以下であった。

図４（ａ）において、反射損失ＲＬ[ｄＢ]のピークに対応する実際の駆動周波数ｆＤ＝１９．１[ＭＨｚ]は、レイリー波の伝搬速度(ｖ＝３６９０[ｍ／ｓ])と、櫛歯電極３Ａのピッチ幅を示すピッチサイズ（ｐ＝２００[μｍ]）から決定される理論上の周波数(ｖ／ｐ＝１８．４５[ＭＨｚ])にほぼ近似しており、通常の表面弾性波発生装置で使用される駆動周波数（以下では、基本駆動周波数という）である。一方、駆動周波数ｆＤ＝４０．５[ＭＨｚ]以上においても、反射損失ＲＬ[ｄＢ]のピークに対応する駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]が連続することから、これらの連続する駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]においても表面弾性波が発生する可能性があると考えられる。

また、図４（ｂ）〜（ｄ）を見ても、櫛歯電極３Ｂ〜３Ｄを用いた各表面弾性波発生装置においても、櫛歯電極３Ａを用いた表面弾性波発生装置と同様に、反射損失ＲＬ[ｄＢ]のピークに対応する駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]が多く存在している。このことは、櫛歯電極３Ｂ〜３Ｄを用いた各表面弾性波発生装置においても、様々な駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]で表面弾性波が発生する可能性があることを示している。しかし、反射損失ＲＬ[ｄＢ]のピークに対応する駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]は、櫛歯電極３Ａ〜３Ｄを用いた表面弾性波発生装置ごとに異なっている。言い換えれば、これは、結晶面方位によって、表面弾性波発生装置の反射損失ＲＬ[ｄＢ]の周波数特性が異なることを示している。

（駆動周波数ｆＤと粉粒体Ｐの輸送との関係について）
上述のように、櫛歯電極３Ａ〜３Ｄを用いた各表面弾性波発生装置において、様々な駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]で表面弾性波を発生可能であることが分かった。そこで、本発明者は、これらの駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]を、表面弾性波発生装置の駆動周波数として、粉粒体Ｐの輸送の様子を調査した。なお、ここでは、図１に示す表面弾性波発生装置１を実験装置に用いて、粉粒体Ｐの輸送実験を行った。

まず、実験前に、粉粒体Ｐを、篩（ふるい）により、圧電基板２の一方の面２ａの全面に薄く均一に散布した。ここでは、粉粒体Ｐの見易さ（粉粒体Ｐと圧電基板２の各色のコンストラスト）と、絶縁性（粉粒体Ｐによる櫛歯電極３での電気的な短絡（ショート））とを考慮して、無水タングステン酸の粉末を粉粒体Ｐとして用いた。この粉末の平均粒子径は２２．３[μｍ]であり、標準偏差は１５[μｍ]である（図５参照）。

本実験では、信号発生器４０（テクトロニクス社製のAFG3252（商品名））でバースト状の高周波電圧信号を発生させて、該高周波電圧信号を増幅器４１（Ｒ＆Ｋ社製のALM00110-2840FM（商品名）)で増幅した。ここでは、高周波電圧信号として、２０００周期及び駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]からなる正弦波で構成される１[ｋＨｚ]のバースト波形を有する信号を用いた。ここで、バースト波形を有する信号を用いた理由は、デューティ比を下げることで熱による圧電基板２の損傷を防ぐためである。そして、増幅した高周波電圧信号を櫛歯電極３に印加した。また、櫛歯電極３に印加される駆動エネルギーＰＡ[Ｗ]の測定は、パワーメーター４２（ローデ・シュワルツ社製のNRP-2、NRP-Z91（ともに商品名）、ＡＲ社製のDC3001M1（商品名））を用いて、入射エネルギーＰＩ[Ｗ]及び反射エネルギーＰＲ[Ｗ]を測定することによって実現した（上記式（１）参照）。ここで、駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]からなる高周波電圧信号を櫛歯電極３に印加することによって表面弾性波が発生した場合、圧電基板２を伝搬可能な表面弾性波によって、粉粒体Ｐが輸送される。そこで、本発明者は、粉粒体Ｐの輸送の様子をハイビジョンカメラ６（ＳＯＮＹ製のHDR-CX500V（商品名））を用いて動画として記録し、記録した動画に基づいて、粉粒体Ｐの輸送範囲及び輸送方向等を調査した。

図６〜図８は、表面弾性波発生装置１による粉粒体Ｐ１〜Ｐ３の輸送の様子を撮影した時系列の写真の一例を示している。図６〜図８では、粉粒体Ｐの輸送の推移を見易くするため、同じ粉粒体Ｐ１〜Ｐ３の位置を黒色の点でプロットしている。図６及び図７は、櫛歯電極３Ａ（図３参照）を用いた表面弾性波発生装置１による輸送の様子を示している。図８は、櫛歯電極３Ｃ（図３参照）を用いた表面弾性波発生装置１による輸送の様子を示している。

図６は、駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]を１９．１[ＭＨｚ]とした場合を示している。なお、図６中の太線で示す矢印１は、櫛歯電極３Ａから粉粒体Ｐ１に伝搬される表面弾性波の伝搬方向を示している。図６を見ると、時刻ｔ＝０（sec.）の時点では、粉粒体Ｐ１が、櫛歯電極３Ａの前方（図６紙面上方向）に配置されている。そして、時刻ｔ＝０．２（sec.）以降の時点では、櫛歯電極３Ａの開口幅に相当する分の粉粒体Ｐ１が、櫛歯電極３Ａ側（図６中の太線の矢印２で示す方向）に輸送されている。この粉粒体Ｐ１の輸送の様子から、粉粒体Ｐを表面弾性波の伝搬方向（図６中の矢印１）と反対の方向（図６中の矢印２）に輸送可能であることが分かった。

図７は、駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]を４７．７[ＭＨｚ]とした場合を示している。なお、図７中の太線で示す矢印３は、櫛歯電極３Ａから粉粒体Ｐ２に伝搬される表面弾性波の伝搬方向を示している。図７を見ると、時刻ｔ＝０（sec.）の時点では、粉粒体Ｐ２が、櫛歯電極３Ａの前方（図７紙面上方向）に配置されている。そして、時刻ｔ＝４（sec.）以降の時点では、櫛歯電極３Ａの開口幅に相当する分の粉粒体Ｐ２が、櫛歯電極３Ａと反対側（図７中の太線の矢印４で示す方向）に輸送されている。この粉粒体Ｐ２の輸送の様子から、粉粒体Ｐ２を表面弾性波の伝搬方向（図７中の矢印３）と同じ方向（図７中の矢印４）に輸送可能であることが分かった。このことは、基本駆動周波数によるレイリー波による輸送では不可能であった方向への粉粒体Ｐの輸送に成功したことを表している。しかしながら、その輸送速度は、基本駆動周波数の輸送速度に比較すると遅くなることが分かった。このように櫛歯電極３Ａの反対側（図７中の矢印４で示す方向）に粉粒体Ｐ２が輸送される原因としては、レイリー波の圧電基板２の一方の面２ａにおける後方楕円回転運動によるものとは考え難い。そのため、本発明者は、圧電体の結晶面方位によって異なった表面弾性波が発生していると推測する。

図８は、駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]を２０．４[ＭＨｚ]とした場合を示している。なお、図８中の太線で示す矢印５は、櫛歯電極３Ｃから粉粒体Ｐ３に伝搬される表面弾性波の伝搬方向を示している。図８を見ると、時刻ｔ＝０（sec.）の時点では、粉粒体Ｐ３が、櫛歯電極３Ｃの前方に配置されている。そして、時刻ｔ＝０．２（sec.）以降の時点では、櫛歯電極３Ｃの開口幅に相当する分の粉粒体Ｐ３が、表面弾性波の伝搬方向（図８中の矢印５）に対して右側へ向かう方向（図８中の太線で示す矢印６で示す方向）に輸送されている。この粉粒体Ｐ３の輸送の様子から、粉粒体Ｐ３を表面弾性波の伝搬方向（図８中の矢印５）に対して右側へ向かう方向（図８中の矢印６）に輸送可能であることが分かる。

（ルックアップテーブルの構成について）
ここで、以下の表１〜４は、櫛歯電極３Ａ〜３Ｄ（図３参照）を用いた際のルックアップテーブルをそれぞれ示している。表１〜４中における粉粒体Ｐの輸送方向「Back」は、表面弾性波の伝搬方向と反対の方向を示している。また、表１，４中における粉粒体Ｐの輸送方向「Front」は、表面弾性波の伝搬方向と同じ方向を示している。また、表２，３中における粉粒体Ｐの輸送方向「Right」は、表面弾性波の伝搬方向に対して右側へ向かう方向を示している。また、表３中における粉粒体Ｐの輸送方向「Left」は、表面弾性波の伝搬方向に対して左側へ向かう方向を示している。また、表１〜４に示すように、粉粒体Ｐの各輸送方向は、上記駆動周波数ｆＤ[Ｈｚ]と、粉粒体Ｐの輸送効率η[ｍｍ／ｓ／Ｗ]と、に対応付けて、ルックアップテーブルに記憶されている。

表１を見ると、櫛歯電極３Ａ（図３参照）を用いた表面弾性波発生装置１では、１９．１[ＭＨｚ]と５９．３[ＭＨｚ]の各駆動周波数ｆＤにおいて、表面弾性波の伝搬方向と反対の方向に粉粒体Ｐが輸送されていることが分かる。一方、４７．７[ＭＨｚ]の駆動周波数ｆＤでは、表面弾性波の伝搬方向と同じ方向に粉粒体Ｐが輸送されていることも分かる。更に、この表１を見ると、異なる輸送方向（「Back」及び「Front」）だけではなく、同じ輸送方向（「Back」）においても、駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]の変化に応じて、粉粒体Ｐの輸送効率η[ｍｍ／ｓ／Ｗ]が異なることも分かる。

次に、表２を見ると、１８．２[ＭＨｚ]と４６．４[ＭＨｚ]の駆動周波数ｆＤで、粉粒体Ｐの輸送方向がそれぞれ「Back」と「Right」となり異なっている。このことから、櫛歯電極３Ｂ（図３参照）を用いた表面弾性波発生装置１においても、櫛歯電極３Ａ（図３参照）を用いた表面弾性波発生装置１と同様に、駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]により粉粒体Ｐの輸送方向を変更可能であることが分かる。表３，４を見ると、櫛歯電極３Ｃ，３Ｄ（図３参照）を用いた各表面弾性波発生装置１においても、櫛歯電極３Ａ（図３参照）を用いた表面弾性波発生装置１と同様に、駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]により粉粒体Ｐの輸送方向を変更可能であることが分かる。特に、櫛歯電極３Ｃを用いた表面弾性波発生装置１は、櫛歯電極３Ａ，３Ｂ，３Ｄを用いた各表面弾性波発生装置１と異なり、「Back」、「Right」、及び、「Left」の３種類の輸送方向に粉粒体Ｐを輸送可能であることが分かる。

また、表１〜４から、輸送効率η[ｍｍ／ｓ／Ｗ]が比較的高かった組み合わせを見てみると、輸送方向「Back」では、櫛歯電極３Ａを用いた際の駆動周波数ｆＤ＝１９．１[ＭＨｚ]において輸送効率η＝１３．２[ｍｍ／ｓ／Ｗ]が得られ、櫛歯電極３Ｂを用いた際の駆動周波数ｆＤ＝１８．２[ＭＨｚ]において輸送効率η＝７．２[ｍｍ／ｓ／Ｗ]が得られた。また、輸送方向「Front」では、櫛歯電極３Ｄを用いた際の駆動周波数ｆＤ＝３３．７[ＭＨｚ]において輸送効率η＝８．９[ｍｍ／ｓ／Ｗ]が得られた。また、輸送方向「Right」では、櫛歯電極３Ｃを用いた際の駆動周波数ｆＤ＝２０．４[ＭＨｚ]において輸送効率η＝２．９[ｍｍ／ｓ／Ｗ]が得られた。

（ピッチ幅ｐと反射損失ＲＬとの関係について）
続いて、本発明者は、櫛歯電極３のピッチ幅ｐと反射損失ＲＬとの関係を調査した。図９（ｂ），（ｃ）は、その調査結果を示す。図９（ｂ）は、ピッチ幅ｐを２００［μｍ］とした場合の反射損失特性を示したグラフである。図９（ｃ）は、ピッチ幅ｐを４００［μｍ］とした場合の反射損失特性を示したグラフである。ここで、図９（ｂ），（ｃ）の横軸は、駆動周波数ｆＤ［ＭＨｚ］を示し、縦軸は、反射損失ＲＬ［ｄＢ］を示す。なお、図９（ａ）は、本調査に使用した櫛歯電極３の形状を示した概略図であって、同図中の符号ｐは、櫛歯電極３のピッチ幅を示し、符号Ｗは、一対の基端部３ａから夫々５本ずつ延びる櫛歯部３ｂの幅（交差幅）を示す。

図９（ｂ）を見ると、まず、２０［ＭＨｚ］付近において、反射損失ＲＬ［ｄＢ］のピークが発生しており、図９（ｂ）中の矢印で示すように、粉粒体が表面弾性波の伝搬方向と反対方向（「Back」）に輸送されることが分かった。そして、駆動周波数ｆＤ［ＭＨｚ］が３０［ＭＨｚ］を超えたあたりから６０［ＭＨｚ］に至る範囲では、約３［ＭＨｚ］〜５［ＭＨｚ］程度の間隔で連続した反射損失ＲＬ［ｄＢ］のピークを確認できた。特に、５０［ＭＨｚ］付近で発生が確認されたピークでは、図９（ｂ）中の矢印で示すように、粉粒体が表面弾性波の伝搬方向と同じ方向（「Front」）に輸送されることが分かった。

一方、図９（ｃ）を見ると、まず、１０［ＭＨｚ］付近において、反射損失ＲＬ［ｄＢ］のピークが発生しており、図９（ｃ）中の矢印で示すように、粉粒体が表面弾性波の伝搬方向と反対方向（「Back」）に輸送されることが分かった。そして、駆動周波数ｆＤ［ＭＨｚ］が２０［ＭＨｚ］に達したあたりから６０［ＭＨｚ］に至る範囲では、約３［ＭＨｚ］〜５［ＭＨｚ］程度の間隔で連続した反射損失ＲＬ［ｄＢ］のピークを確認できた。特に、３０［ＭＨｚ］付近で発生が確認されたピークでは、図９（ｃ）中の矢印で示すように、粉粒体が表面弾性波の伝搬方向と同じ方向（「Front」）に輸送されることが分かった。

続いて、図９（ｂ），（ｃ）に示すグラフの各波形を見比べると、図９（ｃ）において駆動周波数ｆＤ［ＭＨｚ］が０［ＭＨｚ］〜約３６［ＭＨｚ］の範囲内で確認された波形が、図９（ｂ）において駆動周波数ｆＤ［ＭＨｚ］が０［ＭＨｚ］〜約５２［ＭＨｚ］の範囲内で確認された波形を縮小したような略相似した部分を有していることが分かった。さらに、略相似した部分では、図９（ｂ），（ｃ）のいずれにおいても、表面弾性波の伝搬方向と反対方向（「Back」）、及び、表面弾性波の伝搬方向と同じ方向（「Front」）への粉粒体の輸送が実現されており、同じような輸送モードを構成できることが分かった。

（ピッチ幅ｐと輸送速度ｖとの関係について）
続いて、本発明者は、櫛歯電極３のピッチ幅ｐと、粉粒体の輸送速度ｖとの関係を調査した。図１０（ａ）は、本調査に用いた粉粒体の詳細を示した表であって、当該粉粒体のSEM写真及び仕様を示している。当該粉粒体の仕様は、図１０（ａ）に示すとおり、材料が銅であり、形状が球体であり、直径［μｍ］が８．８［μｍ］であり、標準偏差［μｍ］が３．３［μｍ］である。

図１０（ｂ）は、粉粒体の輸送速度の特性を示したグラフである。図１０（ｂ）の横軸は、櫛歯電極３に供給される供給電力Ｐ［ｍＷ］を示し、縦軸は、粉粒体の輸送速度ｖ［ｍｍ／ｓ］を示す。ここでは、ピッチ幅ｐ［μｍ］と輸送速度ｖ［ｍｍ／ｓ］の関係を調べるために、供給電力Ｐ［ｍＷ］を３００，４５０，６００，７５０，９００，１０５０，１２００のいずれかの値に固定して、固定した値ごとに、ピッチ幅ｐ［μｍ］を変化させて、輸送速度ｖ［ｍｍ／ｓ］を測定した。図１０（ｂ）中の「●」は、ピッチ幅ｐ［μｍ］を２００［μｍ］として輸送方向「Back」へ粉粒体を輸送した際の輸送速度を示し、「○」は、ピッチ幅ｐ［μｍ］を２００［μｍ］として輸送方向「Front」へ粉粒体を輸送した際の輸送速度を示す。また、図１０（ｂ）中の「▲」は、ピッチ幅ｐ［μｍ］を４００［μｍ］として輸送方向「Back」へ粉粒体を輸送した際の輸送速度を示し、「△」は、ピッチ幅ｐ［μｍ］を４００［μｍ］として輸送方向「Front」へ粉粒体を輸送した際の輸送速度を示す。

図１０（ｂ）を考察すると、粉粒体の輸送方向が「Back」の場合には、３００［ｍＷ］，４５０［ｍＷ］，６００［ｍＷ］，７５０［ｍＷ］，９００［ｍＷ］，１０５０［ｍＷ］，１２００［ｍＷ］のいずれの値においても、ピッチ幅ｐ［μｍ］を２００［μｍ］とした際の輸送速度ｖ［ｍｍ／ｓ］が、ピッチ幅ｐ［μｍ］を４００［μｍ］とした際の輸送速度ｖ［ｍｍ／ｓ］よりも高くなることが分かった。これに対して、粉粒体の輸送方向が「Front」の場合には、３００［ｍＷ］，４５０［ｍＷ］，６００［ｍＷ］，７５０［ｍＷ］，９００［ｍＷ］，１０５０［ｍＷ］，１２００［ｍＷ］のいずれの値においても、ピッチ幅ｐ［μｍ］を４００［μｍ］とした際の輸送速度ｖ［ｍｍ／ｓ］が、ピッチ幅ｐ［μｍ］を２００［μｍ］とした際の輸送速度ｖ［ｍｍ／ｓ］よりも高くなることが分かった。

これらの考察結果から、粉粒体の輸送速度ｖ［ｍｍ／ｓ］が最大となるピッチ幅ｐ［μｍ］の最適値は、粉粒体の輸送方向が「Back」の場合と、「Front」の場合とで、それぞれ異なっている可能性があることが判明した。これらの考察結果から、粉粒体の輸送速度ｖ［ｍｍ／ｓ］は、ピッチ幅ｐ［μｍ］以外にも、粉粒体の材料、形状、及び、直径などの仕様によって異なる可能性があるものと推測される。

上記構成によれば、圧電基板２の結晶面方位に着目し、該結晶面方位に合わせた位置に櫛歯電極３を形成することで、表面弾性波発生装置１の使用状況に応じて粉粒体Ｐの輸送に適した位置（櫛歯電極３Ａ〜３Ｄのいずれかの位置）に櫛歯電極３を設置することができる。その結果、櫛歯電極３の設置位置θ[°]と駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]の組み合わせによって、表面弾性波の伝搬方向と同じ方向「Front」、表面弾性波の伝搬方向と反対の方向「Back」、表面弾性波の伝搬方向に対して右側へ向かう方向「Right」、及び、表面弾性波の伝搬方向に対して左側へ向かう方向「Left」のうちいずれか一つ以上の方向へ粉粒体Ｐの輸送を単一の櫛歯電極３のみを用いて容易に実現することができる。

また、上記構成によれば、結晶面方位の方向ＯＦと直交する方向を基準とした角度θ[°]の調整によって、櫛歯電極３の位置を櫛歯電極３Ａ〜３Ｄのいずれかの位置に決定できるので、表面弾性波発生装置１の使用状況に応じて粉粒体Ｐの輸送に適した位置（櫛歯電極３Ａ〜３Ｄのいずれかの位置）に櫛歯電極３を容易に設置することができる。

また、上記構成によれば、粉粒体Ｐの輸送方向情報に対応付けて予め記憶されている駆動周波数情報に基づいて、駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]を制御することで、表面弾性波の伝搬方向と同じ方向「Front」、表面弾性波の伝搬方向と反対の方向「Back」、表面弾性波の伝搬方向に対して右側へ向かう方向「Right」、及び、表面弾性波の伝搬方向に対して左側へ向かう方向「Left」のうちいずれか一つ以上の方向に粉粒体Ｐを確実に輸送することができる。

また、上記構成によれば、粉粒体Ｐの輸送方向情報及び輸送効率情報に対応付けて予め記憶されている駆動周波数情報に基づいて、駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]を制御することで、粉粒体Ｐの輸送方向ごとに粉粒体Ｐの輸送効率η[ｍｍ／ｓ／Ｗ]を調整することできる。その結果として、表面弾性波発生装置１の使用状況に応じて、粉粒体Ｐの輸送距離を短くしたり、長くしたりすることによって、粉粒体Ｐの輸送距離を調整できるので、粉粒体Ｐの位置合わせを容易に実現できる。

また、上記構成によれば、信号発生器４０で発生した駆動信号を増幅器４１で増幅し、増幅した駆動信号を入射エネルギーＰＩとして櫛歯電極３に出力することで、粉粒体Ｐの輸送可能範囲を広げることができる。その結果として、粉粒体Ｐの輸送をより大きな範囲内で実現でき、粉粒体Ｐの柔軟な輸送制御を実現できる。

また、上記構成によれば、反射損失ＲＬ[ｄＢ]のピークに対応する駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]に着目し、該駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]で駆動可能な位置に櫛歯電極３を設けることで、粉粒体Ｐの輸送に適した位置に櫛歯電極３を設置することができる。その結果、反射損失ＲＬ[ｄＢ]のピークに対応する駆動周波数ｆＤ[ＭＨｚ]で櫛歯電極３を駆動させることによって、表面弾性波の伝搬方向と同じ方向「Front」、表面弾性波の伝搬方向と反対の方向「Back」、表面弾性波の伝搬方向に対して右側へ向かう方向「Right」、及び、表面弾性波の伝搬方向に対して左側へ向かう方向「Left」のうちいずれか一つ以上の方向へ粉粒体Ｐの輸送を単一の櫛歯電極３のみを用いて容易に実現することができる。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

なお、上記実施形態では、表面弾性波発生装置による輸送対象を粉粒体とする例について述べたが、本発明はこれに限定されず、表面弾性波発生装置による輸送対象を液体としてもよい。

なお、上記実施形態では、電極層として櫛歯電極を用いたが、本発明はこれに限定されず、表面弾性波を伝搬可能な電極であれば、どのような形状の電極を用いてもよい。

なお、上記実施形態では、信号発生器４０で発生した駆動信号を増幅器４１で増幅し、増幅した駆動信号を入射エネルギーＰＩとして櫛歯電極３に出力する例について述べたが、本発明はこれに限定されず、増幅器４１を用いずに、信号発生器４０で発生した駆動信号をそのまま入射エネルギーＰＩとして櫛歯電極３に出力してもよい。この結果、増幅器４１を用いた場合よりも、粉粒体Ｐの輸送可能範囲を狭めることができる。これにより、液体又は粉粒体の輸送をより小さな範囲内で実現でき、液体又は粉粒体を輸送する際における輸送距離の微調整を容易に実現できる。

１ 表面弾性波発生装置
２ 圧電基板
２ａ 面
３、３Ａ〜３Ｄ 櫛歯電極（電極層）
３ａ 基端部
３ｂ 櫛歯部
４ 周波数制御部
５ 輸送方向情報記憶部
６ ハイビジョンカメラ
４０ 信号発生器
４１ 増幅器
４２ パワーメーター
Ｐ、Ｐ１〜Ｐ３ 粉粒体

Claims (5)

1. 圧電基板と、
   前記圧電基板の一方の面において前記圧電基板の結晶面方位に合わせた位置に形成され、液体又は粉粒体を輸送可能な表面弾性波を前記液体又は前記粉粒体に向けて伝搬可能な電極層と、
   前記電極層を駆動可能な駆動周波数を制御することによって、前記表面弾性波の伝搬方向と同じ方向、前記伝搬方向と反対の方向、及び、前記伝搬方向と交差する方向のうちいずれか一つ以上の方向に前記液体又は前記粉粒体を輸送可能な周波数制御部と、
   を備えることを特徴とする表面弾性波発生装置。
2. 前記結晶面方位の方向が、前記圧電基板及び前記電極層の積層方向と同じ方向であって、
   前記電極層が、前記結晶面方位の方向と直交する方向に対して所定角度をなす位置に形成されることを特徴とする請求項１に記載の表面弾性波発生装置。
3. 前記液体又は前記粉粒体の輸送方向を示す輸送方向情報を、前記駆動周波数を示す駆動周波数情報に対応付けて記憶可能な輸送方向情報記憶部を備え、
   前記周波数制御部が、前記輸送方向情報記憶部に記憶されている駆動周波数情報に基づいて、前記駆動周波数を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の表面弾性波発生装置。
4. 前記輸送方向情報が、前記液体又は前記粉粒体の輸送速度を前記電極層の駆動電力で除すことで得られる前記液体又は前記粉粒体の輸送効率を示す輸送効率情報に対応付けられて、前記輸送方向情報記憶部に記憶されていることを特徴とする請求項３に記載の表面弾性波発生装置。
5. 液体又は粉粒体を輸送可能な表面弾性波を前記液体又は前記粉粒体に向けて伝搬可能な電極層を、前記電極層において反射する反射電力と、前記電極層に入射される入射電力との比である反射損失のピークに対応する駆動周波数で駆動可能な位置に設ける工程と、
   前記駆動周波数で前記電極層を駆動させて、前記電極層から前記液体又は前記粉粒体に向けて前記表面弾性波を伝搬させることによって、前記表面弾性波の伝搬方向と同じ方向、前記伝搬方向と反対の方向、及び、前記伝搬方向と交差する方向のうちいずれか一つ以上の方向に前記液体又は前記粉粒体を輸送する工程と、
   を含むことを特徴とする液体又は粉粒体の輸送方法。