JP2913031B1 - Non-contact micromanipulation method and apparatus using two sound sources - Google Patents

Non-contact micromanipulation method and apparatus using two sound sources

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JP2913031B1
JP2913031B1 JP9393798A JP9393798A JP2913031B1 JP 2913031 B1 JP2913031 B1 JP 2913031B1 JP 9393798 A JP9393798 A JP 9393798A JP 9393798 A JP9393798 A JP 9393798A JP 2913031 B1 JP2913031 B1 JP 2913031B1
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liquid medium
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小塚  晃透
秀人 三留
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Abstract

【要約】 【課題】 液体媒質中の微小物体を非接触で所定位置に
捕捉、移動する。 【解決手段】 微小物体14が分散する液体媒質13中
に一対の超音波振動子12a,12bをその音軸が一点
で交差するように所定の距離を保って同じ角度で傾斜さ
せて配置し、上記一対の超音波振動子を所定の電気信号
で駆動し、放射される二つの超音波15a,15bの交
差区域に生成する定在波音場の音圧の節で微小物体を捕
捉し、供給する電気信号を変化させて、捕捉した微小物
体を移動する。
A small object in a liquid medium is captured and moved to a predetermined position in a non-contact manner. SOLUTION: A pair of ultrasonic vibrators 12a and 12b are arranged in a liquid medium 13 in which a minute object 14 is dispersed at a predetermined angle so as to be inclined at the same angle so that their sound axes intersect at one point, The pair of ultrasonic vibrators are driven by a predetermined electric signal, and a minute object is captured and supplied at a node of a sound pressure of a standing wave sound field generated in an intersection area of the two radiated ultrasonic waves 15a and 15b. The captured minute object is moved by changing the electric signal.

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
る微小物体を捕捉し、超音波振動子中心間を結ぶ線と平
行な線上を任意に移動可能な、2音源による超音波を用
いた非接触マイクロマニピュレーション方法及び装置に
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for capturing a minute object in a liquid medium and arbitrarily moving on a line parallel to a line connecting the centers of ultrasonic transducers. The present invention relates to a contact micromanipulation method and apparatus.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、微小物体をハンドリングする
ためのマイクロマニピュレーション方法が、バイオテク
ノロジー、材料開発、マイクロマシン等の分野におい
て、強く求められており、種々の方法が提案されてい
る。例えば、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 Hitherto, micromanipulation methods for handling minute objects have been strongly demanded in fields such as biotechnology, material development, and micromachines, and various methods have been proposed. For example, a scale-down mechanism for handling an object on a conventional scale, a mechanism using static electricity, a mechanism using radiation pressure of a laser beam, and the like can be used.

【0003】しかし、微小物体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物体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では正確にハンドリング
することができない。
[0003] However, in the minute object region, solid friction and the viscosity of the liquid exert a large effect. In addition, minute dust, which can be ignored in the conventional scale, becomes a large obstacle in the minute object region. It is necessary to work, and it is not possible to handle accurately with a scale-down conventional mechanism.

【0004】また、静電気を用いた微小物体のハンドリ
ングは動作距離が短く、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。
[0004] In addition, handling of a minute object using static electricity has a problem that the operating distance is short and that the electrodes are electrolyzed. 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】これらのハンドリング技術に対し、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、超音
波の発生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 handling 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 reflects the sound waves. If it absorbs, a force by acoustic radiation pressure acts. By forming a standing wave sound field, a force can be applied only to a small region on the order of the wavelength. Further, an ultrasonic generator is less expensive than a laser or the like. Further, regarding the safety to the human body, if an air layer exists between the liquid medium and the human body, the ultrasonic waves are blocked, and 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
(特許第2700058号)。また、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(特許第2
723182号)。さらに、湾曲させた振動子の裏面電
極を短冊状に複数分割することで、微小物体を二次元的
に移動させる手法を提案した(特願平9−287953
号)。
[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 No. 2700058). In addition, 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 (Patent No. 2).
No. 723182). Furthermore, a method of moving a minute object two-dimensionally by dividing a back electrode of a curved vibrator into a plurality of strips has been proposed (Japanese Patent Application No. 9-287953).
issue).

【0008】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。
It has long been known that in a standing wave sound field, an object sufficiently smaller than the wavelength (hereinafter, referred to as a minute object) receives a force from the antinode of the sound pressure toward a 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. Also,
With respect to the vertical plane in the direction of sound propagation, the range of action of the force is distributed over a relatively large area, and a small object in the sound field is drawn to a local maximum value of the force.

【0009】更に詳しく説明すると、図8に示すよう
に、水中において、超音波振動子1と反射板2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される。この生成される
定在波音場は振動子と反射板に囲まれた微小領域に限ら
れ、定在波音場中では、図9(a)に示すように、4分
の1波長間隔で音圧の腹3と節4が交互に存在し、音場
中を浮遊する微小物体5は、音圧の腹から節に向う力を
受け、半波長間隔に存在する音圧の節に捕捉される。
More specifically, as shown in FIG. 8, the ultrasonic vibrator 1 and the reflector 2 are set in parallel in water, and a voltage is applied between the ultrasonic vibrator 1 and the reflector to thereby provide a gap between the ultrasonic vibrator and the reflector. , A standing wave sound field is generated. The generated standing wave sound field is limited to a small area surrounded by the vibrator and the reflector. In the standing wave sound field, as shown in FIG. The antinode 3 and the node 4 alternately exist, and the minute object 5 floating in the sound field receives a force from the antinode of the sound pressure toward the node, and is captured by the node of the sound pressure existing at a half wavelength interval.

【0010】超音波の周波数を変化すると、図9(b)
に示すように、音圧の節を音軸上(音波の伝搬方向)で
移動することができるが、反射板からの距離と共に音圧
の節の移動距離が長くなるため、位置制御が可能なのは
反射板近傍に限られ、更に、上記の制御は、振動子と反
射板に囲まれた領域に限られる。
When the frequency of the ultrasonic wave is changed, FIG.
As shown in (1), the node of sound pressure can be moved on the sound axis (the direction of propagation of sound waves). However, since the distance of movement of the node of sound pressure increases with distance from the reflector, position control is possible. The control is limited to the vicinity of the reflector, and the above control is limited to a region surrounded by the vibrator and the reflector.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明が解決
しようとする課題は、超音波振動子と反射板に囲まれた
領域に限られず、任意の位置に定在波音場を生成し、音
圧の節に微小物体を捕捉し、振動子の共振周波数付近で
周波数を制御することで、音圧の節に捕捉した微小物体
を広範囲にわたって移動操作を行うための非接触マイク
ロマニピュレーション方法及び装置を提供することにあ
る。
Therefore, the problem to be solved by the present invention is not limited to the region surrounded by the ultrasonic vibrator and the reflector, but generates a standing wave sound field at an arbitrary position, A non-contact micromanipulation method and apparatus for capturing a small object at a pressure node and controlling the frequency near the resonance frequency of the vibrator to move the small object captured at the sound pressure node over a wide range. To provide.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】この発明による非接触マ
イクロマニピュレーション方法は、微小物体が分散する
液体媒質中に一対の超音波振動子をその音軸が一点で交
差するように所定の距離を保って傾斜させて配置し、上
記一対の超音波振動子を所定の電気信号で駆動し、放射
される超音波の交差区域近傍に生成される定在波音場中
で上記媒質中の微小物体を上記音場の音圧の節に捕捉す
ることを特徴とする。また、この発明による非接触マイ
クロマニピュレーション装置は、微小物体が分散する液
体媒質中に所定の間隔を保って、その音軸が液体媒質中
において、一点で交差するように同じ角度で傾斜して配
置された一対の超音波振動子と、上記一対の振動子へ電
気信号を供給する手段と、から成り、放射される超音波
の交差近傍に生成する定在波音場の音圧の節に上記媒質
中の微小物体を捕捉することを特徴とする。
In the non-contact micromanipulation method according to the present invention, a predetermined distance is maintained between a pair of ultrasonic vibrators in a liquid medium in which minute objects are dispersed such that their sound axes intersect at one point. Arranged in an inclined manner, the pair of ultrasonic transducers are driven by a predetermined electric signal, and the minute object in the medium in the standing wave sound field generated near the intersection area of the emitted ultrasonic waves is It is characterized in that it is captured at the node of the sound pressure in the sound field. Further, the non-contact micromanipulation device according to the present invention is arranged such that the sound axis thereof is inclined at the same angle in the liquid medium so as to intersect at a single point, while maintaining a predetermined interval in the liquid medium in which the minute object is dispersed. And a means for supplying an electric signal to the pair of vibrators, and a medium of the medium at the node of the sound pressure of the standing wave sound field generated near the intersection of the radiated ultrasonic waves. It is characterized by capturing a minute object inside.

【0013】上記振動子の音軸が水平に対し形成する傾
斜角度は、5°から30°の範囲が好ましい。上述の如
く、一対の超音波振動子を所定の角度互いに傾斜させて
配置させることにより、二つの超音波の交差区域は、従
来の超音波振動子と反射板とに囲まれた領域外にも形成
することが可能となり、従って広い領域での微小物体の
捕捉、移動が可能となる。また、二つの振動子へ供給す
る電気信号の位相を変化させたり、周波数に差を与える
ことにより、超音波の音場を電気的に制御し、音圧の節
の位置を制御することができる。
[0013] The inclination angle formed by the sound axis of the vibrator with respect to the horizontal is preferably in the range of 5 ° to 30 °. As described above, by arranging the pair of ultrasonic transducers at a predetermined angle with respect to each other, the intersection area of the two ultrasonic waves is also outside the area surrounded by the conventional ultrasonic transducer and the reflector. Thus, it is possible to capture and move a minute object in a wide area. Also, by changing the phase of the electric signal supplied to the two vibrators or by giving a difference in frequency, the sound field of the ultrasonic wave can be electrically controlled, and the position of the node of the sound pressure can be controlled. .

【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、本発明による2音源を用いた非接触マイ
クロマニピュレーション方法の原理図を示し、多数の微
小物体14が分散、浮遊する液体媒質13中に一対の超
音波振動子11a,11bをその音軸12a,12bが
液体媒質中において、一点で交差するよう所定の距離を
保って同じ角度θで傾斜させて配置する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a principle diagram of a non-contact micromanipulation method using two sound sources according to the present invention. A pair of ultrasonic vibrators 11a and 11b are placed in a liquid medium 13 in which a large number of minute objects 14 are dispersed and float. In the liquid medium, the axes 12a and 12b are arranged at a predetermined angle while being inclined at the same angle θ so that they intersect at one point.

【0015】上記一対の超音波振動子11a,11bに
所定の電気信号を供給すると、二つの振動子よりはそれ
ぞれ超音波15a,15bが発振し、二つの超音波の交
差区域近傍には、定在波の音場16が形成する。図2
は、定在波の音場16の拡大説明図であって、それぞれ
の二つの超音波15a,15bがλ/(2cosθ)の
間隔で交差して音圧の節16′を形成し(λは音波の波
長)、上記媒質中の微小物体14を捕捉する。上記超音
波振動子11a,11bとしては、平板円型超音波振動
子が用い得る。
When a predetermined electric signal is supplied to the pair of ultrasonic vibrators 11a and 11b, ultrasonic waves 15a and 15b are oscillated from the two vibrators, and a constant wave is generated in the vicinity of the intersection of the two ultrasonic waves. A standing wave sound field 16 is formed. FIG.
Is an enlarged explanatory view of the sound field 16 of a standing wave, in which two ultrasonic waves 15a and 15b intersect at an interval of λ / (2 cos θ) to form a sound pressure node 16 ′ (where λ is The wavelength of the sound wave) and captures the minute object 14 in the medium. As the ultrasonic transducers 11a and 11b, flat circular ultrasonic transducers can be used.

【0016】超音波振動子の音軸12a,12bの水平
に対する傾斜角θは、5〜30°程度の範囲であると、
微小物体の捕捉、及び移動が効果的に行える。上記傾斜
角θが30°を越えると、微小物体の捕捉は可能である
が、移動を試みると、捕捉されている微小物体は、二つ
の超音波の合力方向(図面で上方)へはじき飛ばされは
じめる。また、傾斜角θが5°以下であると、超音波振
動子より放射された超音波は互いに他方の振動子に反射
し、再び超音波は放射した振動子へ戻り、系全体が共鳴
することになる。形成している定在波の音場16を安定
して変化させるためには、共鳴しない状態を維持するこ
とが必要であり、そのためには、振動子の音軸の傾斜角
θは5°以上が好ましい。
When the inclination angle θ of the sound axes 12a and 12b of the ultrasonic transducer with respect to the horizontal is in the range of about 5 to 30 °,
Capturing and movement of minute objects can be performed effectively. When the inclination angle θ exceeds 30 °, a small object can be captured. . If the inclination angle θ is 5 ° or less, the ultrasonic waves radiated from the ultrasonic vibrator are reflected by the other vibrators, and the ultrasonic wave returns to the radiated vibrator again, and the whole system resonates. become. In order to stably change the sound field 16 of the standing wave that is being formed, it is necessary to maintain a non-resonant state. For this purpose, the inclination angle θ of the sound axis of the vibrator is 5 ° or more. Is preferred.

【0017】上記一対の超音波振動子を駆動するための
電気信号としては、同じ信号を供給すれば、図2で示す
ように、二つの超音波の交差点近傍に形成する定在波の
音場の節に微小物体は捕捉されることになる。また、印
加する電圧の位相を変化させると、音圧の節を2個の振
動子を結ぶ線と平行な線上に移動することができ、同時
に捕捉された微小物体も移動することになる。更に、印
加する電圧の周波数に僅かに差を持たせると、印加する
電圧の位相を連続して一定速度で変化することができ
る。たとえば、一方の振動子に1.750000MHz
の電圧を印加し、他方の振動子に1.750001MH
zの電圧を印加すると、その周波数差は1.0Hzであ
るので、1秒間に1周期の割合で連続的に位相を変化さ
せることになる。この時、音圧の節に捕捉された微小物
体も定在波の音圧の節の間隔/秒の一定速度で移動する
ことになる。
If the same signal is supplied as an electric signal for driving the pair of ultrasonic transducers, as shown in FIG. 2, the sound field of a standing wave formed near the intersection of the two ultrasonic waves. A small object will be captured at the node. Further, when the phase of the applied voltage is changed, the node of the sound pressure can be moved on a line parallel to the line connecting the two vibrators, and the captured minute object also moves at the same time. Furthermore, if the frequency of the applied voltage has a slight difference, the phase of the applied voltage can be continuously changed at a constant speed. For example, one of the vibrators has a frequency of 1.750000 MHz.
And a voltage of 1.750001 MH is applied to the other vibrator.
When a voltage of z is applied, the frequency difference is 1.0 Hz, so that the phase is continuously changed at a rate of one cycle per second. At this time, the minute object captured at the node of the sound pressure also moves at a constant speed of the interval of the node of the sound pressure of the standing wave / second.

【0018】図3は、本発明による非接触マイクロマニ
ピュレーション装置の一実施形態を示すブロック図であ
る。2台の超音波振動子11a,11bは、液体媒質1
3の入った水槽17の中に互いの振動子中心軸(音軸)
12a,12bが交差するように斜め上方に向けて固定
し、ファンクションジェネレータ19よりの正弦波交流
電圧をパワーアンプで増幅の上、両振動子へ印加して液
体媒質13に超音波を放射する。両振動子からは同一波
長の超音波15a,15bが放射され、音軸の交点付近
に定在波音場16が形成される。
FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of the non-contact micromanipulation device according to the present invention. The two ultrasonic transducers 11a and 11b are connected to the liquid medium 1
The center axes (sound axes) of each oscillator in the water tank 17 containing 3
The sine-wave AC voltage from the function generator 19 is amplified by a power amplifier and applied to both vibrators to emit ultrasonic waves to the liquid medium 13. Ultrasonic waves 15a and 15b having the same wavelength are radiated from both vibrators, and a standing wave sound field 16 is formed near the intersection of the sound axes.

【0019】図4は、ファンクションジェネレータを用
い周波数1.75MHzの正弦波交流を生成し、パワー
アンプで増幅の上、超音波振動子へ供給し、形成した定
在波音場をシュリーレン法を用いて可視化した説明図で
ある。2台の振動子の間の中央上方の音軸の交点付近
に、縦縞の明暗が観察され定在波音場が形成されている
ことがわかる。シュリーレン像の明暗が、音圧の節と腹
に対応する。音圧の節の間隔λ’は、振動子の音軸が水
平と成す角度をθとすると、振動子から放射される音波
の波長λとの関係は、 λ’=λ/(2cosθ) である。
FIG. 4 shows that a sine wave alternating current having a frequency of 1.75 MHz is generated using a function generator, amplified by a power amplifier, supplied to an ultrasonic vibrator, and the formed standing wave sound field is formed using the Schlieren method. It is the explanatory drawing which was visualized. Brightness and darkness of vertical stripes are observed near the intersection of the sound axes above the center between the two vibrators, and it can be seen that a standing wave sound field is formed. The contrast of the Schlieren image corresponds to the nodes and belly of the sound pressure. Assuming that the angle between the sound axis of the vibrator and the horizontal axis is θ, the relationship between the sound pressure node intervals λ ′ and the wavelength λ of the sound wave radiated from the vibrator is λ ′ = λ / (2 cos θ). .

【0020】定在波音場中に平均径0.5mmのポリス
チレン粒子の懸濁液をピペットを用いて注入したとこ
ろ、音圧の節にポリスチレン粒子が捕捉された。音圧の
節は2個の振動子を結ぶ線と平行な線上にλ’の間隔で
複数存在するが、2個の振動子に印加する電圧の位相を
変化することで、音圧の節を2個の振動子を結ぶ線と平
行な線上に移動することができ、同時に捕捉された粒子
も移動することになる。
When a suspension of polystyrene particles having an average diameter of 0.5 mm was injected into the standing wave sound field using a pipette, the polystyrene particles were trapped at nodes of sound pressure. There are multiple sound pressure nodes at intervals of λ 'on a line parallel to the line connecting the two vibrators. By changing the phase of the voltage applied to the two vibrators, the sound pressure nodes It can move on a line parallel to the line connecting the two oscillators, and the captured particles also move at the same time.

【0021】図5は、水中で、1.75MHz(λ=
0.857mm)の超音波を音軸が水平と成す角度θを
15゜として生成した音場中で、位相を0゜から+36
0゜まで連続的に変化した際の粒子の動きを90゜毎に
撮影した写真である。式(1)でλ’= 0.44mmと
なり、λ’相当の距離を移動していることがわかる。位
相を連続的に変化することは、周波数に差を持たせるこ
とと等価である。そこで、一定速度で長距離移動を行う
ために、2個の振動子に加える周波数にわずかに差を持
たせる実験を行った。
FIG. 5 shows that 1.75 MHz (λ =
0.857 mm) in a sound field where the angle θ at which the sound axis is horizontal with the horizontal axis is 15 °, and the phase is 0 ° to + 36 °.
It is a photograph in which the movement of the particles when continuously changing to 0 ° is photographed every 90 °. In equation (1), λ ′ = 0.44 mm, and it can be seen that the robot has moved a distance corresponding to λ ′. Continuously changing the phase is equivalent to providing a difference in frequency. Therefore, in order to perform long-distance movement at a constant speed, an experiment was conducted in which the frequencies applied to the two vibrators were slightly different.

【0022】図6は、2個の振動子に1.750000
MHzと1.750002MHzの信号を加えた際の粒
子の移動を1秒間隔で撮影した多重露光写真である。周
波数差が2Hzあるので毎秒2周期の位相変化が存在
し、約0.44mm/秒の移動が観察されている。
FIG. 6 shows that the two vibrators have 1.750000.
It is a multiple exposure photograph in which the movement of particles when signals of MHz and 1.750002 MHz are applied is photographed at one second intervals. Since the frequency difference is 2 Hz, there is a phase change of two cycles per second, and a movement of about 0.44 mm / sec is observed.

【0023】図7は、2個の振動子の一方の周波数を
1.750000MHzに固定し、他方の振動子の周波
数を1.7500005MHz、1.750001MH
z,1.750002MHz,1.750005MHz
とした時、すなわち2個の振動子の周波数差が0.5H
z,1Hz,2Hz,5Hzの時の時間と共に移動する
粒子の位置を示すグラフである。いずれの場合も、時間
と共に粒子は一定速度で移動するが、その速度(グラフ
の傾き)は周波数の差に比例することがわかる。
FIG. 7 shows that one of the two vibrators is fixed at a frequency of 1.750000 MHz and the other vibrator has a frequency of 1.7500005 MHz and 1.750001 MHz.
z, 1.750002 MHz, 1.750005 MHz
When the frequency difference between the two vibrators is 0.5H
It is a graph which shows the position of the particle which moves with time at z, 1 Hz, 2 Hz, and 5 Hz. In each case, the particles move at a constant speed with time, and it can be seen that the speed (slope of the graph) is proportional to the difference in frequency.

【0024】振動子が水平と成す傾きθ=15゜、振動
子の中心と音軸の交点までの距離L=30mmの場合、
音軸の交点は振動子中心間を結ぶ線より約7.76mm
離れている。この距離はθおよびLにより異なるが、振
動子から離れたところに音場を生成でき、粒子を捕捉
し、位置制御を行えることを示している。
When the inclination θ of the vibrator and the horizontal is θ = 15 °, and the distance L from the center of the vibrator to the intersection of the sound axis is L = 30 mm,
The intersection of the sound axes is about 7.76 mm from the line connecting the centers of the transducers
is seperated. Although this distance varies depending on θ and L, it indicates that a sound field can be generated at a position away from the vibrator, particles can be captured, and position control can be performed.

【0025】ガラス板等の超音波を透過する物質で囲ま
れた水槽の外部に超音波振動子を配置することで、水槽
の外部からの超音波照射で水槽内の微小物体を捕捉・移
動することが可能となる。
By arranging an ultrasonic vibrator outside a water tank surrounded by a substance transmitting ultrasonic waves such as a glass plate, a minute object in the water tank is captured and moved by ultrasonic irradiation from outside the water tank. It becomes possible.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の2音源を
用いた超音波マイクロマニピュレーション方法および装
置は、液体媒質中で微小物体を非接触で捕捉し、位相変
化および周波数に差を持たせることで移動を可能とす
る。その位置は、振動子を傾けることで、振動子間から
離れたところに定在波音場を生成し、一方向に無限に広
がった場所での操作も可能である。実施例においては振
動子を水平から15゜傾け、振動子中心と音軸の交点の
距離を30mmにすることで、振動子の中心より7mm
以上離れたところに定在波音場を生成することが可能で
あった。また、移動距離は振動子間と平行に数cmの距
離が可能であり、分解能は位相変化を90゜毎に変化し
た場合、0.11mmとなる。これらの特性は、振動子
の傾き、振動子と音軸の交点の距離等により異なるが、
周波数および振動子の傾きを変化することでさらに広範
囲に亘って高分解能で微小物体を捕捉、移動することが
可能となる。
As described above, the ultrasonic micromanipulation method and apparatus using two sound sources according to the present invention capture a small object in a liquid medium in a non-contact manner, and provide a difference in phase change and frequency. This enables movement. By tilting the vibrator at that position, a standing wave sound field is generated at a position away from the space between the vibrators, and operation can be performed at a place that is infinitely expanded in one direction. In the embodiment, the vibrator is tilted by 15 ° from the horizontal, and the distance between the center of the vibrator and the intersection of the sound axis is set to 30 mm, so that the distance from the center of the vibrator is 7 mm.
It was possible to generate a standing wave sound field at a distance as described above. The moving distance can be several centimeters in parallel with the transducers, and the resolution is 0.11 mm when the phase is changed every 90 °. These characteristics vary depending on the inclination of the oscillator, the distance between the intersection of the oscillator and the sound axis, etc.
By changing the frequency and the inclination of the vibrator, it becomes possible to capture and move a minute object with high resolution over a wider range.

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

【図1】本発明による超音波マイクロマニピュレーショ
ン方法の原理図である。
FIG. 1 is a principle diagram of an ultrasonic micromanipulation method according to the present invention.

【図2】定在波音場の音圧の節に微小物体を捕捉した状
態の説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a state in which a minute object is captured at a node of a sound pressure in a standing wave sound field.

【図3】2音源を用いた超音波マイクロマニピュレータ
の実験装置を示した説明図である。
FIG. 3 is an explanatory view showing an experimental apparatus of an ultrasonic micromanipulator using two sound sources.

【図4】音場の範囲をシュリーレン法により光学的に可
視化した説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram in which a range of a sound field is optically visualized by a Schlieren method.

【図5】印加する信号の位相変化を変化させたときの粒
子の移動状態を示す写真である。
FIG. 5 is a photograph showing a moving state of a particle when a phase change of an applied signal is changed.

【図6】印加する信号の周波数差を2Hzとしたときの
移動する粒子を1秒間隔で撮影した多重露光写真であ
る。
FIG. 6 is a multiple exposure photograph of moving particles taken at 1 second intervals when the frequency difference between applied signals is 2 Hz.

【図7】印加する信号の周波数差と粒子の移動速度の関
係を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing a relationship between a frequency difference of an applied signal and a moving speed of a particle.

【図8】従来の超音波振動子と反射板とによって定在波
音波を生成させた状態の説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram of a state in which a standing wave sound wave is generated by a conventional ultrasonic transducer and a reflector.

【図9】aは生成した定在波音波で微小物体を捕捉した
状態を示す説明図である。bは、捕捉した微小物体を音
軸上に移動させた状態の説明図である。
FIG. 9A is an explanatory diagram showing a state in which a minute object is captured by the generated standing wave sound waves. b is an explanatory diagram of a state in which the captured minute object is moved on the sound axis.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11a,11b 超音波振動子 12a,12b 音軸 13 液体媒質 14 微小物体 15a,15b 超音波 16 音場 11a, 11b Ultrasonic vibrator 12a, 12b Sound axis 13 Liquid medium 14 Micro object 15a, 15b Ultrasonic 16 Sound field

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 微小物体が分散する液体媒質中に一対の
超音波振動子をその音軸が液体媒質中において一点で交
差するように所定の距離を保って同じ角度で傾斜させて
配置し、上記一対の超音波振動子を所定の電気信号で駆
動し、放射される二つの超音波の交差区域近傍に生成す
る定在波音場の音圧の節に上記媒質中の微小物体を捕捉
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 pair of ultrasonic vibrators are arranged in a liquid medium in which a minute object is dispersed at an equal angle while keeping a predetermined distance so that their sound axes intersect at one point in the liquid medium, Driving the pair of ultrasonic transducers with a predetermined electric signal, and capturing a minute object in the medium at a node of a sound pressure of a standing wave sound field generated near an intersection area of the two ultrasonic waves to be emitted. Non-contact micromanipulation method characterized by the above-mentioned.
【請求項2】 該一対の振動子の音軸が水平に対して、
5〜30°の範囲の角度を形成するよう振動子を傾斜さ
せて配置したことを特徴とする請求項1に記載のマイク
ロマニピュレーション方法。
2. A sound axis of the pair of vibrators is horizontal with respect to a horizontal axis.
The micromanipulation method according to claim 1, wherein the vibrator is arranged to be inclined so as to form an angle in a range of 5 to 30 °.
【請求項3】 該一対の超音波振動子へ互いに位相を変
位した電気信号を供給して駆動することを特徴とする請
求項1に記載のマイクロマニピュレーション方法。
3. The micromanipulation method according to claim 1, wherein the pair of ultrasonic transducers are driven by supplying electric signals whose phases are displaced from each other.
【請求項4】 該一対の超音波振動子へ互いに周波数が
異なる電気信号を供給して駆動することを特徴とする請
求項1に記載のマイクロマニピュレーション方法。
4. The micromanipulation method according to claim 1, wherein the pair of ultrasonic transducers are driven by supplying electric signals having different frequencies to each other.
【請求項5】 微小物体が分散する液体媒質中に所定の
間隔を保って、その音軸が液体媒質中において、一点で
交差するように同じ角度で傾斜して配置された一対の超
音波振動子と、上記一対の振動子へ電気信号を供給する
手段と、から成り、放射される超音波の交差区域近傍に
生成する定在波音場の音圧の節と上記媒質中の微小物体
を捕捉することを特徴とする非接触マイクロマニピュレ
ーション装置。
5. A pair of ultrasonic vibrations which are arranged at a predetermined interval in a liquid medium in which a minute object is dispersed and whose sound axes are inclined at the same angle so as to intersect at one point in the liquid medium. And a means for supplying an electric signal to the pair of transducers, and captures a node of a sound pressure of a standing wave sound field generated near an intersection area of the radiated ultrasonic waves and a minute object in the medium. Non-contact micromanipulation device characterized by performing.
【請求項6】 上記一対の超音波振動子は、互いに音軸
が水平に対して、5〜30°の範囲で傾くように傾斜し
て配置されている請求項5に記載のマイクロマニピュレ
ーション装置。
6. The micromanipulation device according to claim 5, wherein the pair of ultrasonic transducers are arranged so as to be inclined such that the sound axes thereof are inclined within a range of 5 to 30 ° with respect to the horizontal.
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