JP2899691B2 - Non-contact micromanipulation method - Google Patents

Non-contact micromanipulation method

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JP2899691B2
JP2899691B2 JP9287953A JP28795397A JP2899691B2 JP 2899691 B2 JP2899691 B2 JP 2899691B2 JP 9287953 A JP9287953 A JP 9287953A JP 28795397 A JP28795397 A JP 28795397A JP 2899691 B2 JP2899691 B2 JP 2899691B2
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captured
vibrator
minute object
electrodes
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小塚  晃透
秀人 三留
亨 辻内
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、液体媒質中におけ
る微小物体を半波長間隔で捕捉し、音波の伝搬方向およ
び振動子と平行な方向に任意に移動可能な、超音波を用
いた二次元非接触マイクロマニピュレーション方法に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a two-dimensional system using ultrasonic waves, which captures minute objects in a liquid medium at half-wavelength intervals and can move arbitrarily in the direction of sound wave propagation and in the direction parallel to the vibrator. The present invention relates to a non-contact micromanipulation method.

【0002】[0002]

【従来の技術】微小物体をハンドリングするためのアク
チュエータ技術は、従来のスケールにおける物体をハン
ドリングする機構をスケールダウンしたもの、静電気を
用いたもの、レーザ光の放射圧を用いたもの等が挙げら
れる。
2. Description of the Related Art Actuator techniques for handling minute objects include those using a scale-down mechanism for handling an object on a conventional scale, those using static electricity, those using the radiation pressure of laser light, and the like. .

【0003】また、微小領域では固体の摩擦、液体の粘
性が大きく作用し、また、従来のスケールでは無視でき
た微小なほこり等も微小領域では大きな障害物となるた
め非接触で力を作用する必要があり、従来の機構をスケ
ールダウンしたものは不都合である。
Further, in a minute area, solid friction and a viscosity of a liquid greatly act, and minute dust, which can be ignored in a conventional scale, also acts as a large obstacle in a minute area, so that a force acts in a non-contact manner. It is necessary, and downsizing of the conventional mechanism is inconvenient.

【0004】静電気を用いたものは動作距離が短く、し
かも電極における電気分解等の問題がある。また、対象
とする物体および雰囲気は導電性に関して制限される。
Devices using static electricity have a short operating distance and have problems such as electrolysis at the electrodes. In addition, the target object and atmosphere are limited with respect to conductivity.

【0005】レーザ光による微小物体のハンドリング
は、対象物が光学的に光を透過し、屈折する必要があ
る。また、作用する力は微弱であるため、対象とする物
体はきわめて微小なものに限られる。さらに、高価な設
備を必要とし、人体に対する安全性等にも配慮する必要
があるなど、さまざまな問題点がある。
[0005] Handling of a minute object by laser light requires that the object optically transmit and refract light. Further, since the acting force is weak, the target object is limited to an extremely small one. Furthermore, there are various problems, such as the need for expensive equipment and the consideration of safety for the human body.

【0006】これらの技術に対し、超音波を用いたもの
は、音波を伝搬する媒質中であれば使用でき、対象とす
る物体は音響的に媒質と異なる音響インピーダンスを持
ち、音波を反射または吸収するものであれば音響放射圧
による力が作用する。力の作用範囲は、定在波または音
場を形成することにより、波長のオーダの微小領域のみ
に力を作用させることが可能である。また、装置はレー
ザ等に比べ安価である。更に、人体に対する安全性に関
しては、液体媒質と人体の間に空気層が存在すれば超音
波は遮断されるため、超音波の漏洩に関して配慮するこ
とは容易である。
[0006] In contrast to these techniques, those using ultrasonic waves can be used in a medium that propagates sound waves. The target object has an acoustic impedance acoustically different from that of the medium, and reflects or absorbs the sound waves. If it does, a force due to acoustic radiation pressure acts. By forming a standing wave or a sound field, the force can be applied only to a small region on the order of the wavelength. Also, the device is less expensive than a laser or the like. Further, regarding the safety for the human body, if an air layer exists between the liquid medium and the human body, the ultrasonic waves are blocked, so that it is easy to consider the leakage of the ultrasonic waves.

【0007】本発明の発明者達は、凹面型振動子を用い
てその焦点位置に反射板を設置して生じる定在波音場中
で、周波数を変化することにより音圧の節に捕捉した微
小物体を音軸上を一次元的に移動させる方法を提案した
(特開平9−193055号)。さらに、矩形振動子の
裏面電極を短冊状に複数分割することで、微小物体を音
軸と垂直方向に制御、移動させる方法を提案した(特願
平8−281497)。しかし、両方法で用いる振動子
は形状が大きく異なるため、これらの手法を単に組み合
わせただけでは二次元移動は容易に実現できない。
[0007] The inventors of the present invention have proposed a technique in which a microscopic wave trapped at a node of a sound pressure by changing a frequency in a standing wave sound field generated by installing a reflector at a focal position using a concave vibrator. A method for moving an object one-dimensionally on a sound axis has been proposed (Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-193055). Furthermore, a method has been proposed in which a back electrode of a rectangular vibrator is divided into a plurality of strips to control and move a minute object in a direction perpendicular to a sound axis (Japanese Patent Application No. 8-281497). However, since the vibrators used in both methods have greatly different shapes, two-dimensional movement cannot be easily realized simply by combining these methods.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】定在波音場中で波長に
比べて十分に小さな物体(以下、微小物体と記す)が、
音圧の腹から節に向かう力を受けることは古くから知ら
れている。音圧の節と腹は音波の伝搬方向に4分の1波
長間隔で交互に存在するため、音の伝搬方向に関して微
小物体が捕捉される力学的な安定点は非常に小さな領域
に限られる。また、音の伝搬方向の鉛直面に関しては比
較的広い領域に力の作用範囲は分布し、音場中の微小物
体は近傍の力の極大値に引き寄せられる。
An object (hereinafter, referred to as a minute object) that is sufficiently small in comparison with the wavelength in the standing wave sound field,
It has been known for a long time to receive the force from the belly of the sound pressure toward the node. Since the nodes and antinodes of the sound pressure are alternately present at quarter-wavelength intervals in the direction of sound wave propagation, the mechanically stable point at which a minute object is captured in the direction of sound propagation is limited to a very small area. Further, with respect to the vertical plane in the direction of sound propagation, the range of action of the force is distributed over a relatively wide area, and the minute object in the sound field is drawn to the local maximum value of the force.

【0009】超音波の周波数を変化することで音圧の節
を音軸上(音波の伝搬方向上)で移動することができる
が、平面形状の振動子を用いた場合、音圧の節は振動子
と反射板間で振動子面に相当する広範囲に広がるため、
粒子捕捉位置を特定しにくい。
[0009] By changing the frequency of the ultrasonic wave, the node of the sound pressure can be moved on the sound axis (in the direction of propagation of the sound wave). To spread over a wide area equivalent to the transducer surface between the transducer and the reflector,
It is difficult to identify the particle capture position.

【0010】また、振動子を複数並べて設置し、駆動す
る振動子を切り替えることで音場全体を微小物体を捕捉
した状態で移動することができると考えられる。
Further, it is considered that the entire sound field can be moved in a state of capturing a minute object by arranging a plurality of transducers side by side and switching the driven transducers.

【0011】従って、本発明が解決しようとする課題
は、液体媒質中において定在波を生成し、微小物体を限
定した特定領域(音圧の節)に捕捉し、単一の振動子に
加える電気信号を制御することにより音軸方向および音
軸と直交する方向に音圧の節をなめらかに移動すること
で、音圧の節に捕捉した微小物体の二次元的移動操作を
行うための手段を開発することにある。
Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to generate a standing wave in a liquid medium, capture a minute object in a limited specific region (node of sound pressure), and apply it to a single vibrator. A means for performing a two-dimensional movement operation of a minute object captured by a node of sound pressure by smoothly moving a node of sound pressure in a sound axis direction and a direction orthogonal to the sound axis by controlling an electric signal. Is to develop.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】水中において超音波振動
子と反射板を平行に設置し、電圧を印加することによ
り、超音波振動子と反射板との間に定在波音場が生成す
る。定在波音場中では4分の1波長間隔で音圧の腹と節
が交互に存在し、音場中を浮遊する微小物体は音圧の腹
から節に向かう力を受け、半波長間隔に存在する音圧の
節に捕捉される。
A standing wave sound field is generated between the ultrasonic vibrator and the reflector by placing the ultrasonic vibrator and the reflector parallel in water and applying a voltage. In the standing-wave sound field, antinodes and nodes of sound pressure alternate at quarter-wavelength intervals, and a small object floating in the sound field receives a force from the antinode of sound pressure toward the node, and becomes a half-wavelength interval. Captured by existing sound pressure nodes.

【0013】本発明は、定在波音場を形成するための超
音波振動子の形状を一方向に所定の曲率を持った湾曲状
にすることで音波を集束し、周波数を変化した際に音圧
の節を音軸上で移動することを可能とする。そして、曲
率を持たない方向には振動子の裏面電極を複数に分割し
て配置し、電圧を印加する電極を選択することにより、
超音波の音場を電気的に制御し、音場の範囲および位置
を制御する。
According to the present invention, an ultrasonic vibrator for forming a standing wave sound field is formed into a curved shape having a predetermined curvature in one direction, so that sound waves are focused and sound is generated when the frequency is changed. It is possible to move the node of pressure on the sound axis. Then, in the direction having no curvature, the back electrode of the vibrator is divided into a plurality of parts and arranged, and by selecting an electrode to which a voltage is applied,
It electrically controls the sound field of the ultrasonic wave and controls the range and position of the sound field.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を用いて説明
する。図1は、本発明の非接触マイクロマニピュレーシ
ョン方法に用いる線集束型多電極超音波振動子の一実施
例及び以後の説明のための座標系を示す。超音波振動子
16は長手方向(x方向)は直線であるが、短手方向
(y方向)は所定の曲率で湾曲している。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of a line-focusing type multi-electrode ultrasonic transducer used in the non-contact micromanipulation method of the present invention and a coordinate system for the following description. The ultrasonic transducer 16 is straight in the longitudinal direction (x direction), but is curved at a predetermined curvature in the short direction (y direction).

【0015】図2は本実施形態の超音波振動子16の形
状を示すものであり、(b)は裏面図、(a)は(b)
のA−A断面図、(c)は(b)のB−B断面図であ
る。
FIGS. 2A and 2B show the shape of the ultrasonic vibrator 16 of the present embodiment. FIG. 2B is a rear view, and FIG.
(C) is a BB cross-sectional view of (b).

【0016】超音波振動子16は図2に示されるように
圧電セラミックス等の一方向に湾曲した振動子30と、
振動板30の内周面の全面に設けられた表面電極32と
振動板30の外周面に長手方向(x方向)に分割された
複数の裏面電極34とから成る。本実施例では、超音波
振動子16は約40×20mmの長方形で、厚さは約1
mmであり、短手方向(y方向)に曲率半径約40mm
で湾曲している。また裏面電極34は15個長手方向に
並設され、それぞれリード線38′が取り付けられてい
る。裏面電極34の大きさは約2×20mmで、電極間
の間隔は約0.5mmである。表面電極32はその一部
を裏面に折り返し、裏面に、端部が電気機器のアースと
接続しているリード線38が取り付けられている。従っ
て、任意の裏面電極34に電圧を印加することにより、
電圧を印加された裏面電極34が設けられた部分の振動
子が振動することになる。振動子16の裏面はシリコン
ゴムでアクリルパイプに充填することで防水加工および
固定を行う(図示せず)。尚、本実施例で用いた超音波
振動子16の共振周波数は約2.1MHzである。
As shown in FIG. 2, the ultrasonic vibrator 16 includes a vibrator 30 that is curved in one direction, such as a piezoelectric ceramic,
It comprises a surface electrode 32 provided on the entire inner peripheral surface of the diaphragm 30 and a plurality of back electrodes 34 divided in the longitudinal direction (x direction) on the outer peripheral surface of the diaphragm 30. In this embodiment, the ultrasonic vibrator 16 is a rectangle of about 40 × 20 mm and the thickness is about 1 mm.
mm and a radius of curvature of about 40 mm in the short direction (y direction).
It is curved. Fifteen back electrodes 34 are arranged in the longitudinal direction, and lead wires 38 'are attached to each of them. The size of the back electrode 34 is about 2 × 20 mm, and the interval between the electrodes is about 0.5 mm. A part of the front electrode 32 is folded back to the rear surface, and a lead wire 38 whose end is connected to the ground of the electric device is attached to the rear surface. Therefore, by applying a voltage to any back electrode 34,
The vibrator at the portion where the back electrode 34 to which the voltage is applied is provided vibrates. The back surface of the vibrator 16 is waterproofed and fixed by filling the acrylic pipe with silicone rubber (not shown). The resonance frequency of the ultrasonic vibrator 16 used in this embodiment is about 2.1 MHz.

【0017】図3は、本発明の一実施形態を示すブロッ
ク図である。ファンクションジェネレータ24を用いて
周波数2.1MHzの正弦波交流を生成し、パワーアン
プ22により増幅する。
FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. A sine wave alternating current having a frequency of 2.1 MHz is generated using the function generator 24 and amplified by the power amplifier 22.

【0018】上記超音波振動子16は、液体媒質12の
入った水槽14の中に表面電極側を上向きになるよう固
定し、パワーアンプ24よりの正弦波交流電圧を印加し
て水中に超音波を放射する。振動子の上方約40mmの
位置にセラミックス(アルミナ)の反射板18を振動子
16と平行に設置し、振動子16と反射板18の間に定
在波音場を生成する。振動子16の各裏面電極34はリ
ード線38′を介してスイッチ20と接続し、スイッチ
20をONにしたときのみ電極34に電圧が印加されて
超音波を放射する。
The ultrasonic vibrator 16 is fixed in a water tank 14 containing the liquid medium 12 so that the surface electrode side faces upward, and a sine-wave AC voltage from a power amplifier 24 is applied to the ultrasonic vibrator 16 in the water. Radiate. A reflector 18 made of ceramics (alumina) is installed at a position about 40 mm above the vibrator in parallel with the vibrator 16 to generate a standing wave sound field between the vibrator 16 and the reflector 18. Each back electrode 34 of the vibrator 16 is connected to the switch 20 via a lead wire 38 ', and only when the switch 20 is turned on, a voltage is applied to the electrode 34 to emit ultrasonic waves.

【0019】スイッチ20はパーソナルコンピュータ2
6で制御され、プログラムで音場を変化させることがで
きる。パワーアンプ22の利得の定格値は50dBであ
るが、負荷(電圧を印加する電極の数)の変動により変
化する。電圧を一定値に保つため、振動子16に加わる
電圧をデジタルオシロスコープ28で測定し、設定値に
なるようにファンクションジェネレータ24の出力電圧
を調整する。
The switch 20 is a personal computer 2
6, the sound field can be changed by a program. Although the rated value of the gain of the power amplifier 22 is 50 dB, it changes depending on the load (the number of electrodes to which a voltage is applied). In order to maintain the voltage at a constant value, the voltage applied to the vibrator 16 is measured by a digital oscilloscope 28, and the output voltage of the function generator 24 is adjusted to a set value.

【0020】定在波音場中に平均径16μmのアルミナ
粒子の懸濁液をピペットを用いて注入したところ、振動
子16の駆動部分の上方(反射板近傍)にアルミナ粒子
が音軸方向(z方向)に半波長間隔で整列して捕捉され
た。その形状は、x方向に伸びた線状であり、yおよび
z方向については一点に凝集するが、x方向の寸法は駆
動電極の大きさに伴って変化する(電圧等によって長さ
が異なるため、必ずしも電極の大きさとは比例しな
い)。
When a suspension of alumina particles having an average diameter of 16 μm was injected into the standing wave sound field using a pipette, the alumina particles were moved above the driving portion of the vibrator 16 (near the reflector) in the direction of the sound axis (z). Direction) at half-wavelength intervals. The shape is a linear shape extending in the x direction, and agglomerates at one point in the y and z directions, but the dimension in the x direction changes according to the size of the drive electrode (because the length differs depending on the voltage or the like, , But not necessarily proportional to the size of the electrodes).

【0021】図4は3電極(7×20mm)駆動時の音
圧の節に補足された粒子を示す概念図である。x方向の
粒子捕捉位置は駆動電極全体のほぼ中央であり、駆動電
極を切り替えることで捕捉粒子はx方向に移動する。同
数の電極で駆動する場合、電極の幅が移動の分解能とな
るが、駆動電極数が奇数の場合と偶数の場合を用いるこ
とで移動の分解能を電極幅の半分にすることができる。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing particles supplemented in a node of sound pressure when driving three electrodes (7 × 20 mm). The particle capturing position in the x direction is substantially at the center of the entire driving electrode, and the captured particles move in the x direction by switching the driving electrode. In the case of driving with the same number of electrodes, the width of the electrodes becomes the resolution of movement. However, the resolution of movement can be reduced to half of the electrode width by using the case where the number of drive electrodes is odd and the case where the number of drive electrodes is even.

【0022】また、図5に示すように、周波数を徐々に
変化することで波長が変化し、音圧の節に補足された微
小物体は音軸上を移動する。移動の分解能は周波数の変
化量および反射板18からの距離よって異なり、周波数
の変化量を小さくすることで、高分解能の移動が可能と
なる。
As shown in FIG. 5, the wavelength changes by gradually changing the frequency, and the minute object captured by the sound pressure node moves on the sound axis. The resolution of the movement differs depending on the amount of change in the frequency and the distance from the reflector 18, and by reducing the amount of change in the frequency, high-resolution movement becomes possible.

【0023】音圧の節の移動距離は、各音圧の節の間隔
が半波長の変化量ずつ変化するため、任意の捕捉微小物
体は反射板18からの間に存在する音圧の節の変化量の
積算となるため、反射板から離れるほど長い距離を移動
することになる。そのため、周波数を段階的に変化した
場合、反射板から離れた粒子は、音圧の節の移動距離が
音圧の節の間隔の半分(1/4波長)より長くなること
になる。
Since the distance between the nodes of each sound pressure changes by a change amount of a half wavelength, an arbitrary captured minute object can be moved by the distance between the nodes of the sound pressure. Since the change amount is integrated, the longer the distance from the reflector, the longer the distance. Therefore, when the frequency is changed in a stepwise manner, the distance of the particles separated from the reflector from the reflector becomes longer than a half (波長 wavelength) of the interval between the nodes of the sound pressure.

【0024】その場合、対応する音圧の節に移動するよ
りも、隣接する反対方向の音圧の節の方が近くなり、反
対方向に移動することになる(図5の上方から6番目以
降の粒子)。そのとき、周波数を大きくした場合は粒子
群の分離が起こり、周波数を小さくする場合は、粒子群
の合体が起こる。この技術を用いて、半波長間隔に整列
した粒子群の分離・合体を行うことができる。
In this case, the adjacent sound pressure node in the opposite direction is closer to the corresponding sound pressure node than in the corresponding sound pressure node, and moves in the opposite direction. Particles). At that time, when the frequency is increased, the particles are separated, and when the frequency is reduced, the particles are united. Using this technique, it is possible to separate and coalesce particles that are aligned at half-wavelength intervals.

【0025】周波数を変化することは、振動子の共振周
波数から離れることであり、電気音響変換効率が低下す
る。そこで、周波数の変化幅を小さいままで、長距離移
動する方法を発明した。上述のように、周波数を大きく
変化すると近傍の音圧の節に粒子は移動するため、周波
数を緩やかに変化して、粒子捕捉間隔の半分以上(1/
4波長以上)移動した時点で、瞬時に周波数を初期値に
戻す操作を行うと、周波数は初期値と同じ状態で、粒子
のみ移動させることが可能となる(図6)。この操作を
繰り返し行うことで、粒子の長距離移動が可能となる。
Changing the frequency means moving away from the resonance frequency of the vibrator, which lowers the electro-acoustic conversion efficiency. Therefore, a method of moving a long distance while keeping the change width of the frequency small was invented. As described above, when the frequency greatly changes, the particles move to a nearby node of the sound pressure. Therefore, the frequency gradually changes to more than half (1/1 /
If the frequency is returned to the initial value instantaneously at the time of moving (4 wavelengths or more), only the particles can be moved with the frequency being the same as the initial value (FIG. 6). By repeating this operation, particles can be moved over a long distance.

【0026】さて、粒子の横方向移動は電極の切り替え
で実現されることはすでに述べたが、この移動の分解能
は電極の幅の1/2である。この分解能をさらに細かく
する方法について説明する。隣接する二電極間に印加す
る電圧の位相をずらすことで音場中で音波が強めあう部
分と打ち消しあう部分の位置を制御することができる。
As described above, the lateral movement of the particles is realized by switching the electrodes, but the resolution of this movement is 1 / of the width of the electrodes. A method for further reducing the resolution will be described. By shifting the phase of the voltage applied between two adjacent electrodes, it is possible to control the positions of the parts where the sound waves strengthen and cancel each other in the sound field.

【0027】図7は、そのようにして位相を変えた際の
音場を光学的に可視化した概念図で、数値は二電極に印
加する交流信号の位相差値を示しており、図8はそのよ
うな音場中に粒子を投入した際の動きを示すグラフであ
り、無段階での移動が実現されていることがわかる。
FIG. 7 is a conceptual diagram optically visualizing the sound field when the phase is changed in this manner. Numerical values indicate the phase difference values of the AC signals applied to the two electrodes, and FIG. It is a graph which shows the movement at the time of throwing particles into such a sound field, and it turns out that the movement in a stepless manner is realized.

【0028】これらの周波数の変化による音軸上での移
動と、電極切り替えおよび電極間での位相変化による音
軸と垂直な方向への移動を組み合わせることで、図9に
示すような粒子の二次元移動が可能となった。なお、音
波は伝搬途中の媒質中で減衰し、また反射板における反
射率が1以下であるため、振動子から反射板に向かう音
波と反射板から振動子に向かう音波はその音響放射圧に
差異が生じる。その結果、振動子から反射板に向かう媒
質の流れが生じる(音響流)。
By combining the movement on the sound axis due to the change in the frequency with the movement in the direction perpendicular to the sound axis due to the electrode switching and the phase change between the electrodes, the particle as shown in FIG. Dimensional movement is now possible. Since the sound wave is attenuated in the medium during propagation and the reflectivity of the reflector is 1 or less, the sound wave traveling from the vibrator to the reflector and the sound wave traveling from the reflector to the vibrator are different in their acoustic radiation pressure. Occurs. As a result, a flow of the medium from the vibrator to the reflector occurs (acoustic streaming).

【0029】粒子マニピュレート時には、この現象は非
常に邪魔な存在であるが、トーンバースト波(図10)
を用いることで、微粒子を捕捉するための力(音圧振幅
の2乗に比例)を維持したまま、音響流のエネルギー
(音圧振幅の2乗の時間平均値に比例)を抑えることが
可能となった。
At the time of particle manipulation, this phenomenon is very disturbing, but the tone burst wave (FIG. 10)
By using, it is possible to suppress the energy of the acoustic stream (proportional to the time average of the square of the sound pressure amplitude) while maintaining the force for capturing the fine particles (proportional to the square of the sound pressure amplitude). It became.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上、要するに本発明の非接触マイクロ
マニピュレーション方法においては、微粒子を捕捉して
二次元に移動することができ、微細な粒子をマイクロコ
ンピュータを用いて自在に操作することができるので装
置全体を小型化する事が可能となり、低価格で装置を供
給することができる。
As described above, in short, in the non-contact micromanipulation method of the present invention, fine particles can be captured and moved two-dimensionally, and fine particles can be freely operated using a microcomputer. The entire device can be reduced in size, and the device can be supplied at a low price.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明における線集束型多電極振動子を示した
説明図である。
FIG. 1 is an explanatory view showing a line focusing type multi-electrode vibrator according to the present invention.

【図2】本発明における線集束型多電極振動子の形状を
示した図であり、(b)は裏面図、(a)はA−A断面
図、(c)はB−B断面図である。
FIGS. 2A and 2B are views showing the shape of a line focusing type multi-electrode vibrator according to the present invention, wherein FIG. 2B is a rear view, FIG. 2A is a cross-sectional view along AA, and FIG. is there.

【図3】本発明の一実施形態において線集束型多電極振
動子を用いて超音波マイクロマニピュレータの実験装置
を示したブロック図である。
FIG. 3 is a block diagram showing an experimental apparatus of an ultrasonic micromanipulator using a line focusing type multi-electrode transducer in one embodiment of the present invention.

【図4】本発明の一実施形態において振動子と反射板間
に生成された定在波音場中で、音圧の節にアルミナ粒子
が捕捉されたことを示す概念図である。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing that alumina particles are trapped at nodes of sound pressure in a standing wave sound field generated between a vibrator and a reflector in one embodiment of the present invention.

【図5】本発明の一実施形態において周波数変化時の音
圧の節および音圧の節に補足された粒子の移動を示す説
明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a node of sound pressure and a movement of particles supplemented by the node of sound pressure when a frequency changes in an embodiment of the present invention.

【図6】本発明の一実施形態における周波数変化時の移
動を示す説明図であり、周波数変化幅を小さくして変動
することで長距離移動が可能となることを示す概念図で
ある。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing movement at the time of frequency change in one embodiment of the present invention, and is a conceptual diagram showing that long-distance movement is possible by changing the frequency change width to be small.

【図7】本発明の一実施形態における位相変化時のシュ
リーレン像である。
FIG. 7 is a Schlieren image at the time of a phase change in one embodiment of the present invention.

【図8】本発明の一実施形態における位相変化時の粒子
の無段階移動を示した特性図である。
FIG. 8 is a characteristic diagram showing stepless movement of particles during a phase change in one embodiment of the present invention.

【図9】本発明の一実施形態における二次元移動を示し
た概念図である。
FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating two-dimensional movement according to an embodiment of the present invention.

【図10】本発明の一実施形態におけるトーンバースト
波を示すタイミング図である。
FIG. 10 is a timing chart showing a tone burst wave in one embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 超音波マイクロマニピュレータ 12 液体媒質 14 水槽 16 超音波振動子 18 反射板 20 スイッチ 22 パワーアンプ 24 ファンクションジェネレータ 26 パーソナルコンピュータ 28 ディジタルオシロスコープ 30 超音波振動板 32 表面電極 34 裏面電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ultrasonic micromanipulator 12 Liquid medium 14 Water tank 16 Ultrasonic oscillator 18 Reflector 20 Switch 22 Power amplifier 24 Function generator 26 Personal computer 28 Digital oscilloscope 30 Ultrasonic oscillator 32 Front electrode 34 Back electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B25J 7/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) B25J 7/00

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 微小物体が分散・存在する液体媒質中
に、一方向に所定の曲率で湾曲した振動板と、該振動板
の内周面全面に設けられた表面電極と該振動板の外周面
に曲率のある方向に沿って設けられた短冊状の複数の裏
面電極から成る線集束型超音波振動子を設置し、上記複
数の裏面電極中の所定電極に電圧を印加して超音波を放
射し、上記振動子の焦点位置に上記振動子と平行に設置
した反射板の間に生成される定在波音場中で、上記媒質
中の上記微小物体を上記駆動電極前面の音場中の音圧の
節に音軸方向に半波長間隔で整列し、振動子の曲率のな
い方向に一次元形状に凝集して捕捉可能とすることを特
徴とする非接触マイクロマニピュレーション方法。
1. A vibrating plate curved at a predetermined curvature in one direction in a liquid medium in which a minute object is dispersed and present, a surface electrode provided on the entire inner peripheral surface of the vibrating plate, and an outer periphery of the vibrating plate A line-focusing type ultrasonic transducer composed of a plurality of strip-shaped back electrodes provided along a direction having a curvature on the surface is installed, and a voltage is applied to a predetermined electrode among the plurality of back electrodes to generate ultrasonic waves. In the standing wave sound field generated between the reflector placed in parallel with the vibrator at the focal position of the vibrator, the minute object in the medium is radiated and the sound pressure in the sound field in front of the drive electrode is radiated. A non-contact micromanipulation method characterized in that the nodes are arranged at half-wavelength intervals in the direction of the sound axis in the direction of the sound axis, and are aggregated and captured in a one-dimensional shape in a direction without the curvature of the vibrator.
【請求項2】 上記捕捉した微小物体を、超音波の周波
数を変化させることにより、上記振動子と上記反射板間
の音場中を移動可能とすることを特徴とする請求項1に
記載の非接触マイクロマニピュレーション方法。
2. The apparatus according to claim 1, wherein the captured minute object can be moved in a sound field between the vibrator and the reflector by changing the frequency of an ultrasonic wave. Non-contact micromanipulation method.
【請求項3】 上記捕捉した微小物体を移動する際に、
周波数を段階的に変化させ、その変化量を選択すること
により、上記微小物体の移動方向を選択し、半波長間隔
に捕捉されている微小物体を分離および合体することを
特徴とする請求項1または2の何れかに記載の非接触マ
イクロマニピュレーション方法。
3. When moving the captured minute object,
2. The method according to claim 1, wherein a moving direction of the minute object is selected by changing a frequency in a stepwise manner and an amount of the change is selected, and the minute objects captured at half wavelength intervals are separated and united. Or the non-contact micromanipulation method according to any one of 2.
【請求項4】 上記微小物体を移動する際に、上記周波
数を初期値から緩やかに変化させて、上記捕捉した微小
物体を十分に移動した後、周波数を瞬時に初期値に戻す
ことを繰り返すことにより、上記捕捉した微小物体の長
距離移動を可能とすることを特徴とする請求項2または
3の何れかに記載の非接触マイクロマニピュレーション
方法。
4. When the minute object is moved, the frequency is gradually changed from an initial value, and after sufficiently moving the captured minute object, the frequency is returned to the initial value instantaneously. The non-contact micromanipulation method according to claim 2 or 3, wherein the captured small object can be moved over a long distance.
【請求項5】 上記線集束型超音波振動子の連続した複
数の電極の内の任意の電極に電圧を印加して、上記線集
束型超音波振動子の任意の部分を駆動することにより、
上記微小物体の捕捉範囲を選択可能とすることを特徴と
する請求項1乃至4の何れかに記載の非接触マイクロマ
ニピュレーション方法。
5. A method according to claim 1, wherein a voltage is applied to any one of a plurality of continuous electrodes of said line-focusing type ultrasonic transducer to drive an arbitrary part of said line-focusing type ultrasonic transducer.
The non-contact micromanipulation method according to any one of claims 1 to 4, wherein a capturing range of the minute object is selectable.
【請求項6】 上記線集束型超音波振動子の連続した複
数の電極に電圧を印加し、上記線集束型超音波振動子の
任意の部分を駆動することにより、上記微小物体の一次
元的な凝集形状の寸法を選択可能とすることを特徴とす
る請求項5に記載の非接触マイクロマニピュレーション
方法。
6. A one-dimensional one-dimensional structure for the minute object by applying a voltage to a plurality of continuous electrodes of the line focusing ultrasonic transducer and driving an arbitrary portion of the line focusing ultrasonic transducer. The non-contact micromanipulation method according to claim 5, wherein the size of the aggregate shape can be selected.
【請求項7】 上記音場中に捕捉した微小物体を、上記
線集束型超音波振動子の駆動電極を1極ごとに増減する
ことで、微小物体を音軸と垂直な方向に電極の幅の半分
の分解能で移動可能とすることを特徴とする請求項5に
記載の非接触マイクロマニピュレーション方法。
7. A micro object captured in the sound field is increased or decreased by one drive electrode of the line focusing type ultrasonic vibrator for each pole, so that the width of the electrode is reduced in a direction perpendicular to the sound axis. The non-contact micromanipulation method according to claim 5, wherein the non-contact micromanipulation method is movable at a resolution of half of the resolution.
【請求項8】 上記線集束型超音波振動子の隣接する二
電極に電圧を印加して定在波音場を生成し、音圧の節に
微小物体を捕捉する際に、二電極に加える交流信号の位
相を変化させることで、物体の捕捉位置を二電極間で無
段階に移動可能とすることを特徴とする請求項1乃至7
の何れかに記載の非接触マイクロマニピュレーション方
法。
8. An AC voltage applied to two electrodes when a voltage is applied to two adjacent electrodes of the line focusing type ultrasonic transducer to generate a standing wave sound field and a minute object is captured at a node of sound pressure. 8. The method according to claim 1, wherein a capturing position of the object can be steplessly moved between the two electrodes by changing a phase of the signal.
The non-contact micromanipulation method according to any one of the above.
【請求項9】 上記線集束型超音波振動子と上記反射板
とを結ぶ音軸方向の移動と、上記音軸と垂直方向の移動
を組み合わせることで捕捉微小物体の二次元移動を可能
とすることを特徴とする請求項1乃至8の何れかに記載
の非接触マイクロマニピュレーション方法。
9. A two-dimensional movement of a captured small object is possible by combining a movement in a sound axis direction connecting the line focusing ultrasonic transducer and the reflector and a movement in a direction perpendicular to the sound axis. The non-contact micromanipulation method according to any one of claims 1 to 8, wherein
【請求項10】 上記線集束型超音波振動子に電圧を印
加して定在波音場を生成し、音圧の節に微小物体を捕捉
および移動する際に、上記電極に加える電圧をトーンバ
ースト波とすることで、音圧振幅の最大値は大きいまま
で、音圧振幅の時間平均値を小さくし、媒質の流動であ
る音響流の発生を抑制しつつ物体を捕捉および移動を可
能とすることを特徴とする請求項1乃至9の何れかに記
載の非接触マイクロマニピュレーション方法。
10. A standing wave sound field is generated by applying a voltage to said line-focusing type ultrasonic transducer, and a voltage applied to said electrode is applied to a tone burst when a minute object is captured and moved at a node of sound pressure. By using waves, the maximum value of the sound pressure amplitude is kept large, the time average value of the sound pressure amplitude is reduced, and it is possible to capture and move an object while suppressing the generation of acoustic streaming, which is the flow of the medium The non-contact micromanipulation method according to claim 1, wherein:
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