JP7377173B2 - 液滴生成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の振動子を用いて液層から液滴を生成する液滴生成方法に関する。
生化学分野では、容器内の液層（詳細には、血液や試薬液等）から液滴を抽出するため、例えばピペットを用いる。ピペットは、空気圧によって液滴の吸入・吐出を行う。
インクジェットプリンタでは、容器内の液層（詳細には、インク）から液滴を吐出させるため、例えば複数の振動子を用いる（例えば特許文献１参照）。特許文献１では、複数の振動子からの複数の超音波を液層に照射する。このとき、音響レンズを用いることにより、各振動子からの超音波が集束される。更に、複数の振動子のそれぞれに対する信号印加タイミング（位相）を異ならせることにより、複数の超音波が１つの焦点で結ばれており、この焦点が液層の表面に位置する。これにより、液層から1つの液滴を吐出させる。
特開２００１－１７９９６２号公報
特許文献１の液滴生成方法では、直径１００μｍ未満の液滴を生成することができるものの、直径１００μｍ以上の液滴を生成することが困難である。仮に、複数の振動子のそれぞれに対する信号印加時間を過剰に長くしても、液滴の生成を阻害するだけである。そのため、例えば生化学分野などで採用することができない。
本発明の目的は、直径１００μｍ以上の液滴を生成することができる液滴生成方法を提供することにある。
上記目的を解決するために、本発明は、複数の振動子を用いて液層から液滴を生成する液滴生成方法であって、前記複数の振動子からの複数の超音波を液層に照射して、前記液層から複数の一次液滴を飛散させ、飛散中の前記複数の一次液滴が凝集して二次液滴に成長しており、前記複数の超音波が焦点で結ばれるように、前記複数の振動子のそれぞれに対する信号印加タイミングを異ならせており、前記液層の厚さは、前記焦点の距離の１％以上且つ５０％以下である。
本発明によれば、直径１００μｍ以上の液滴を生成することができる。
本発明の一実施形態における液滴生成装置の構造を表す概略図である。 本発明の一実施形態における電気信号の具体例を表す図である。 本発明の一実施形態における液滴生成装置の動作を表す概略図であり、液滴が縦方向に出射する場合の第１過程を示す。 本発明の一実施形態における液滴生成装置の動作を表す概略図であり、液滴が縦方向に出射する場合の第２過程を示す。 本発明の一実施形態における液滴生成装置の動作を表す概略図であり、液滴が斜め方向に出射する場合の第１過程を示す。 本発明の一実施形態における液滴生成装置の動作を表す概略図であり、液滴が斜め方向に出射する場合の第２過程を示す。
本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態における液滴生成装置の構造を表す概略図である。
液滴生成装置は、平板状の圧電素子１１と、圧電素子１１の上面側に設けられた接地電極１２と、接地電極１２の上面側に接着された保護膜１３と、圧電素子１１の下面側に設けられ、一方向に配列された複数の信号電極１４と、複数の信号電極１４の下面側に接着された樹脂１５と、複数の信号線１６を介し複数の信号電極１４に接続された駆動回路１７とを備える。
保護膜１３は、金属又は樹脂で形成された薄膜である。保護膜１３の上面側には液層２０が載置されている。
圧電素子１１は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸鉛などのセラミックス、酸化亜鉛やニオブ酸リチウムなどの材料、又はコンポジット（複合材料）が用いられている。接地電極１２及び信号電極１４は、例えば、金、銀、銅、白金、チタン、又はアルミニウムなどの材料が用いられている。
各信号電極１４と、各信号電極１４に対応する圧電素子１１の一部分及び接地電極１２の一部分は、各振動子１８を構成する。すなわち、液滴生成装置は、複数の振動子１８を備える。
駆動回路１７は、例えば図２で示すように所定の周期Ｔ且つ所定の時間ｔで、信号線１６を介し振動子１８に電気信号を印加する。信号印加時間ｔは１０ｍｓ以上である。振動子１８は、電気信号によって発振し、超音波を出射する。
駆動回路１７は、２つ以上の振動子１８を選択して電気信号を印加すると共に、信号印加タイミング（位相）を制御する。例えば複数の振動子１８のそれぞれに対する信号印加タイミングを同じにすることにより、複数の超音波を縦方向に出射させる。これにより、液層２０から液滴を生成して縦方向に出射させる（詳細は後述）。あるいは、例えば複数の振動子１８のそれぞれに対する信号印加タイミングを異ならせることにより、複数の超音波を焦点で結ばせる。これにより、液層２０から液滴を生成して斜め方向に出射させる（詳細は後述）。なお、液層２０の厚さｈ（図１参照）は、焦点の距離ｄ（後述の図５参照）の５０％以下である。
本実施形態の液滴生成装置の動作（すなわち、液滴生成方法）を説明する。
まず、液滴を縦方向に出射させる場合について、図３及び図４を用いて説明する。駆動回路１７は、例えば２つの振動子１８に電気信号を印加し、それらの信号印加タイミングを同じにする。これにより、２つの振動子１８からの２つの超音波を液層２０に照射して、液層２０から一次液滴２１Ａ，２１Ｂを飛散させる。一次液滴２１Ａ，２１Ｂは、互いにほぼ平行な方向に飛散する。しかし、隣り合う一次液滴２１Ａ，２１Ｂの間隔は、隣り合う振動子１８の間隔に対応しており、一次液滴の直径より若干大きい程度である。そのため、飛散中の一次液滴２１Ａ，２１Ｂが凝集して、二次液滴２２Ａに成長する。
次に、液滴を斜め方向に出射させる場合について、図５及び図６を用いて説明する。駆動回路１７は、例えば９つの振動子１８に電気信号を印加し、それらの信号印加タイミングを異ならせる。これにより、９つの振動子１８からの９つの超音波を液層２０に照射して、液層２０から一次液滴２１Ｃ，２１Ｄ，２１Ｅを飛散させる。一次液滴２１Ｃ，２１Ｄ，２１Ｅは、上述した焦点に向かって飛散する。そのため、飛散中の一次液滴２１Ｃ，２１Ｄ，２１Ｅが凝集して、二次液滴２２Ｂに成長する。
本実施形態では、上述した液滴生成方法により、直径１００μｍ以上の液滴を生成することができる。
なお、本実施形態の液滴生成装置は、１つの圧電素子と、1つの接地電極を備えた場合（すなわち、各振動子は、各信号電極と、各信号電極に対応する圧電素子の一部分及び接地電極の一部分とで構成された場合）を例にとって説明したが、これに限られない。液滴生成装置は、複数の圧電素子を備えてもよいし、複数の接地電極を備えてもよい。すなわち、各振動子は、各信号電極と、各圧電素子と、対応する接地電極の一部分とで構成されてもよい。また、各振動子は、各信号電極と、各接地電極と、対応する圧電素子の一部分とで構成されてもよい。また、各振動子は、各信号電極と、各圧電素子と、各接地電極とで構成されてもよい。
１８ 振動子
２０ 液層
２１Ａ～２１Ｅ 一次液滴
２２Ａ，２２Ｂ 二次液滴

Claims (1)

  1. 複数の振動子を用いて液層から液滴を生成する液滴生成方法であって、
    前記複数の振動子からの複数の超音波を液層に照射して、前記液層から複数の一次液滴を飛散させ、
    飛散中の前記複数の一次液滴が凝集して二次液滴に成長しており、
    前記複数の超音波が焦点で結ばれるように、前記複数の振動子のそれぞれに対する信号印加タイミングを異ならせており、
    前記液層の厚さは、前記焦点の距離の１％以上且つ５０％以下であることを特徴とする液滴生成方法。
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