JPH05220371A - 超音波攪拌装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波アクチュエータを駆動源とする超音波
スターラにより、極微少量の液体を攪拌する。 【構成】 圧電振動子１にその共振周波数に等しい周波
数の交流信号を印加すると、圧電振動子１の側面には分
極軸の方向に沿った一方向の振動変位が生じる。この振
動変位が回転体２を回転させ、回転体２の板面に設けら
れているＳｍ−Ｃｏ磁石５も回転するから、それに伴っ
て三角フラスコ中の攪拌子６も回転する。攪拌子６が回
転することにより三角フラスコ中の液体が攪拌される。 【効果】 パルス駆動により常に均一な攪拌ができる。
超低速、高トルク駆動ができる。ギアを使用しないので
装置を小型軽量化でき、極微少量の液体の攪拌ができ
る。騒音が無い。自励式駆動ができるので環境変化に強
く低消費電力化が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、柱状の圧電振動子から
成る超音波アクチュエータにより発生させた弾性振動を
駆動源とすることにより液体を攪拌する超音波攪拌装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】密閉系の攪拌装置としては、マグネチッ
クスターラが有効である。マグネチックスターラはモー
タで回転している磁石で容器内の回転子を駆動させて該
容器内の液体を攪拌するものである。回転子としては鉄
片あるいは磁石片をテフロンなどで包んだものが用いら
れる。マグネチックスターラはまたビーカなどの容器を
用いた開放系での攪拌にも有用である。ところで、微少
量における攪拌操作で一番簡単なのは手による振り混ぜ
であるが、単に小型容器を振り混ぜるだけでは充分に攪
拌できない場合がある。すなわち、マクロ量における実
験器具を単に小型化するだけでは満足できる結果が得ら
れないことがある。それは小型でしかも低速、高トルク
が可能な高性能のマグネチックスターラが無いことに起
因する。微少量の攪拌のためには、容器の小型化にあわ
せてマグネチックスターラの大きさを単に小型化するだ
けでなく、その高性能化が必要である。

【０００３】また、容器内の培養液などの長時間にわた
る振とうを行う場合に用いられる振とう装置は、従来、
概して大型で、微少量の振とうには適さないばかりでな
く、振とうによる騒音もあり、超低速振とうが難しかっ
た。恒温を保つ必要がある場合には容器を恒温水中に漬
けるかまたは容器を恒温の循環空気中にさらすなどの方
法がとられているが、いずれも恒温室中に密閉すること
が困難であるから、温度の誤差が生じやすく、湿度を一
定に保つことも難しかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のマグネチックス
ターラは小型化が難しく、また小型化しようとすればす
るほどその性能が低下するので、低速でしかも高トルク
な攪拌が難しく、微少量の攪拌には用いられることがな
かった。微少量の攪拌は、特に密閉系では有用な手段が
なかった。

【０００５】従来の振とう装置は概して大型で、微少量
の振とうには適さないばかりでなく、振とうによる騒音
もあり、超低速振とうが難しかった。また、装置を恒温
室中に密閉することが困難であることから、温度、湿度
ともに一定に保つことが難しかった。

【０００６】そこで本発明では、駆動源として超音波ア
クチュエータを用いることにより、超低速で高トルクな
攪拌を可能にし、装置の小型、軽量化、低騒音、低消費
電力を可能にし、また、温度、湿度ともに一定に保たれ
ている密閉室中での振とうをも可能にすることを目的と
した、微少量の液体を攪拌するための超音波攪拌装置を
提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の超音波
攪拌装置は、圧電振動子により電気振動を超音波の弾性
振動に変換し、該弾性振動に基づく力により容器内の液
体を攪拌する装置において、前記圧電振動子は柱状の圧
電磁器と、該圧電磁器の分極軸に垂直な両端面にそれぞ
れ形成されている第１および第２の電極とから成り、前
記第１および第２の電極のうち少なくとも一方は互いに
絶縁された２つの部分に分割されており、前記圧電磁器
の側面に物体を押し付ける手段を有し、該物体が前記側
面から受ける力を前記液体に伝えることにより該液体を
攪拌することを特徴とする。

【０００８】請求項２に記載の超音波攪拌装置は、前記
物体が所定の軸の回りに回転し又は揺動する回転揺動体
か、又は所定の案内レールに沿って移動する移動体であ
ることを特徴とする。

【０００９】請求項３に記載の超音波攪拌装置は、前記
物体が前記容器であることを特徴とする。

【００１０】請求項４に記載の超音波攪拌装置は、前記
物体の少なくとも一部分が磁性体であり、前記液体に漬
けられる少なくとも一部分が磁性体でなる攪拌子が前記
容器内に納められていることを特徴とする。

【００１１】請求項５に記載の超音波攪拌装置は、前記
圧電振動子に励振電圧を供給する駆動回路が、該励振電
圧として交流パルス電圧を出力し、該交流パルス電圧の
電圧値および交流周波数のうちの少なくとも一方を調節
する手段と、該交流パルス電圧のパルス幅およびパルス
繰り返し周波数のうちの少なくとも一方を調節する手段
とを備えることを特徴とする。

【００１２】請求項６に記載の超音波攪拌装置は、前記
圧電振動子が、この圧電振動子の容量およびインダクタ
ンスを主なリアクタンス成分とする共振回路で共振して
発振する発振回路から交流電力を受けて励振されること
を特徴とする。

【００１３】

【作用】請求項１に記載の超音波攪拌装置の駆動部で
は、柱状の圧電磁器の分極軸に垂直な両端面にそれぞれ
第１および第２の電極を有する圧電振動子の共振周波数
に等しい周波数を有する交流信号を前記圧電振動子に前
記第１および第２の電極を介して印加すると、前記圧電
振動子は励振され前記圧電磁器の側面には一方向の振動
変位が生じる。前記物体が前記圧電磁器の側面に接触し
ている場合、前記振動変位は前記物体に伝達され、さら
に前記物体から前記液体に伝達され、前記液体は攪拌さ
れる。このようにして本発明の超音波攪拌装置では、前
記圧電磁器の側面に生じる一方向の振動変位を駆動源と
することにより、前記容器内の液体を攪拌することがで
きる。本装置は電気的入力に対する応答速度が速いこと
から、パルス駆動が正確かつ容易に行え、しかも無入力
時の保持力が大きいので微少容量の正確で均一な攪拌が
可能である。従って、密閉系での微少量の化学反応だけ
でなく、極微少量の滴定や、培養液の長時間にわたる振
とうなどには特に有用である。また、低消費電力での駆
動が可能で、騒音も無く、自励式駆動も可能で、電池で
の駆動も容易なことから、一定の温度と湿度を保った密
閉室での長時間の使用も可能である。さらに、超低速・
高トルクでの駆動が可能なので、ギヤが不要であるか
ら、装置の小型化かつ軽量化を実現できる。従って、密
閉系や開放系での極微少量の液体の攪拌が可能となる。

【００１４】前記第１および第２の電極のうち少なくと
も一方は互いに絶縁された２つの部分に分割されている
ことから、一方の前記部分に設けられている電極を自励
式電源のための電極として用いることができる。従っ
て、本発明の超音波攪拌装置では環境の変化に対応しう
る形で低消費電力での駆動が可能となる。

【００１５】請求項２に記載の超音波攪拌装置では、前
記物体が所定の軸の回りに回転したり又は任意の角度内
で反転運動する回転揺動体か、又は所定の案内レールに
沿って移動する移動体である。前記回転揺動体が前記圧
電磁器の側面に接触している場合、前記振動変位は前記
回転揺動体に伝達され、前記回転揺動体は回転する。前
記移動体が前記圧電振動子の側面に接触している場合、
前記振動変位は前記移動体に伝達され、前記移動体は前
記圧電磁器の分極軸の方向に沿った直線運動をする。前
記回転揺動体または前記移動体の運動は前記容器内の液
体に伝達され、前記液体は攪拌される。

【００１６】前記圧電振動子を２つ備え、しかもそれぞ
れの圧電振動子による前記回転揺動体の回転方向を逆に
しておくことにより、どちらの圧電振動子を駆動させる
かで前記回転揺動体の回転方向を逆にすることができ
る。つまり、任意の角度内での反転運動が可能となる。
しかもその上で該圧電振動子に印加する交流信号の振幅
あるいは周波数を一定の範囲内で変えることにより、前
記圧電磁器の側面に生じる振動変位の大きさを任意に制
御するとができるから、前記回転揺動体の回転速度の制
御がより容易にかつ正確になる。従って前記回転揺動体
の回転方向を逆にすることができるだけでなく、その回
転速度を超低速から高速まで正確に制御することができ
るから、本装置によれば極微少量の液体のより効果的な
攪拌が可能となるばかりでなく、前記回転揺動体の反転
運動が可能となるので長時間にわたる極微少量の液体の
振とうも可能となる。また、前記圧電振動子を複数個備
え、それらによる前記回転揺動体の回転方向を同じにす
ることにより、より高トルクな駆動が可能となるから、
より効果的な攪拌が可能となる。

【００１７】前記圧電振動子を２つ備え、しかもそれぞ
れの圧電振動子による前記移動体の移動方向を逆にして
おくことにより、どちらの圧電振動子を駆動させるかで
前記移動体の移動方向を逆にすることができる。つま
り、前記移動体の反復運動が可能となる。しかもその上
で該圧電振動子に印加する交流信号の振幅あるいは周波
数を一定の範囲内で変えることにより、前記圧電磁器の
側面に生じる振動変位の大きさを任意に制御するとがで
きるから、前記移動体の移動速度の制御がより容易にか
つ正確になる。従って、前記移動体の反復運動を可能に
することができるだけでなく、その運動速度を超低速か
ら高速まで正確に制御することができるから、本装置に
よれば極微少量の液体のより効果的な攪拌が可能となる
ばかりでなく、長時間にわたる極微少量の液体の振とう
も可能となる。また、前記圧電振動子を複数個備え、そ
れぞれの前記圧電振動子を順次駆動させ、最後に駆動さ
せる圧電振動子によって前記移動体を最初の位置に戻
し、このようにしてすべての前記圧電振動子をひととお
り駆動し終わったところで再び最初の圧電振動子を駆動
させ、これを繰り返すことにより、前記移動体に任意の
直線運動を組み合わせた運動を繰り返させることができ
る。たとえば、前記圧電振動子を４つ備えることによ
り、前記移動体の移動軌跡を四角形とすることができる
ばかりでなく、Ｚ字の終点と始点とを直線で結んだよう
な図形とすることもできる。従って、より効果的な攪拌
が可能となり、特に長時間にわたる極微少量の液体の振
とうに有用である。

【００１８】請求項３に記載の超音波攪拌装置では前記
物体が前記容器であることから、前記圧電磁器の側面に
生じる振動変位は、前記回転揺動体または前記移動体を
介することなく直接前記容器に伝達される。従って、よ
り効果的な攪拌が可能となる。

【００１９】請求項４に記載の超音波攪拌装置では、前
記物体の少なくとも一部分は磁性を帯びている。一方、
前記容器内には少なくとも一部分が磁性を帯びた攪拌子
が納められ、前記攪拌子は前記液体中に漬けられてい
る。前記物体が前記圧電磁器から受ける振動変位によっ
て運動すると、前記攪拌子も運動するから、前記容器内
の液体は前記攪拌子の運動によって攪拌される。従って
本発明の超音波攪拌装置によれば極微少量の液体のより
効果的な攪拌が可能となる。

【００２０】請求項５に記載の超音波攪拌装置では、前
記励振電圧として交流パルス電圧を出力し、該交流パル
ス電圧の電圧値および交流周波数のうちの少なくとも一
方を調節する手段と、該交流パルス電圧のパルス幅およ
びパルス繰り返し周波数のうちの少なくとも一方を調節
する手段とが前記駆動回路に備えてある。従って、前記
物体の運動速度を超低速から高速まで正確に制御するこ
とができ、そのうえ、前記物体の運動方向を逆にするこ
とも可能である。従って、前記回転揺動体の反転運動
や、前記移動体の反復運動が容易になるので、極微少量
の液体を効果的に攪拌することができる。また、前記物
体の運動速度を容易に連続的に変えられるので、攪拌効
果はさらに増大される。また、低消費電力での駆動が可
能で、騒音も無く、超低速・高トルク駆動が可能なの
で、ギヤが不要であるから、装置の小型化かつ軽量化を
実現できる。

【００２１】請求項６に記載の超音波攪拌装置では、前
記圧電振動子が、この圧電振動子の容量およびインダク
タンスを主なリアクタンス成分とする共振回路で共振し
て発振する発振回路から交流電力を受けて励振される。
従って、本発明の超音波攪拌装置では外部温度などの環
境変化にも対応しうる駆動回路を提供できる。すなわ
ち、外部温度などの変化により前記物体の運動速度が変
化することがないので、常に均一な攪拌が可能となり、
氷点下百数十度から常温を経て百数十度付近までの広い
温度範囲での連続使用が可能である。

【００２２】

【実施例】図１は本発明の超音波攪拌装置の第１の実施
例を示す断面図である。本実施例は銅箔から成る端子
Ｐ、Ｑ、Ｒが取り付けられている圧電振動子１と、回転
体２と、摩擦材３と、支持台４と、Ｓｍ−Ｃｏ磁石５
と、攪拌子６とから成る。回転体２は支持台４に支持さ
れており、支持台４は本体に固定されている。攪拌子６
は、液体を含むガラス製の三角フラスコの中に投入され
ている。三角フラスコは本体上部の板面に置かれてい
る。本体は耐薬品性、耐水性を有するプラスチックで成
り、本体上部は本体下部からの取り外しが可能である。
攪拌子６はＳｍ−Ｃｏ磁石をテフロンで包んだものであ
る。２つの圧電振動子１を結ぶ電源回路上にはスイッチ
が設けられていて、該スイッチを切り替えることによ
り、どちらかの圧電振動子１に交流電圧を供給する。な
お、図１では２つの圧電振動子１を結ぶ電源回路とその
間に設けられたスイッチ、圧電振動子１に交流電圧を供
給する電源回路および端子Ｐ、Ｑ、Ｒが省いて描かれて
いる。

【００２３】図２は圧電振動子１の斜視図である。圧電
振動子１は円柱状の圧電磁器２０と、圧電磁器２０の分
極軸に垂直な両端面のそれぞれに設けられた電極２１、
２２および２３とから成る。圧電磁器２０は直径１０m
m、高さ１０mmで、材質はＴＤＫ製９１Ａ材（製品名）
であり、その共振周波数は約１３８kHz である。ＴＤＫ
９１Ａ材は電気機械結合係数が大きいことから、ここで
の実施例に用いている。電極２１および２２は同一面上
に設けられていて互いに絶縁状態にある。電極２１は圧
電振動子１に交流電圧を印加するための電極として用い
られ、電極２２は自励式電源のための電極として用いら
れる。電極２３はもう一方の端面全体をおおっている。
電極２１上には端子Ｐ、電極２２上には端子Ｑ、電極２
３上には端子Ｒが設けられている。図中の矢印は圧電振
動子１に交流信号を印加したときに共振状態において圧
電磁器２０の側面に生じる振動変位を示す。一方の端面
上に設けられている電極を２分割し、それらを互いに絶
縁状態にすることにより、自励式駆動が可能となるばか
りでなく、圧電磁器２０の側面には一方向の振動変位が
生じる。

【００２４】図３は回転体２を上部から見たときの平面
図である。回転体２の上部には板状のＳｍ−Ｃｏ磁石５
が固着されている。Ｓｍ−Ｃｏ磁石５はその中心を回転
体２の中心と重ね合わせる形で回転体２の板面上に固着
されている。

【００２５】図４は図１に示す実施例の駆動部を圧電振
動子１の側面方向から回転体２の軸の方向に沿って見た
ときの平面図である。回転体２は直径３９mm、厚さ２．
５mmの円板と、該円板の中心部分に固着する直径５mm、
長さ１６mmの円柱とから成り、該円板の板面には摩擦材
３がその円板の中心を同心とする幅８mm、厚さ１mmのリ
ング状に固着されている。摩擦材３にはエポキシ樹脂に
ポリアミドを混入したものが用いられている。

【００２６】図５は図１に示す第１の実施例からＳｍ−
Ｃｏ磁石５と攪拌子６とを除いた超音波攪拌装置の第２
の実施例を示す断面図である。使用時には本体上部を取
り外し、三角フラスコは直接回転体７に固定させる。

【００２７】図６は本発明の超音波攪拌装置の第３の実
施例を示す断面図である。本実施例は図１に示す第１の
実施例に用いらた圧電振動子１と、直線運動体１２と、
摩擦材１３と、支持台１４と、Ｓｍ−Ｃｏ磁石１５と、
攪拌子１６とから成る。直線運動体１２は支持台１４に
支持されており、支持台１４は本体に固定されている。
攪拌子１６は、液体を含むガラス製のマイクロチューブ
の中に投入されている。マイクロチューブは本体上部の
板面に固定されている。本体は耐薬品性、耐水性を有す
るプラスチックで成り、本体上部は本体下部からの取り
外しが可能である。攪拌子１６はＳｍ−Ｃｏ磁石をテフ
ロンで包んだものである。２つの圧電振動子１を結ぶ電
源回路上にはスイッチが設けられていて、該スイッチを
切り替えることにより、どちらかの圧電振動子１に交流
電圧を供給する。なお、図６では２つの圧電振動子１を
結ぶ電源回路とその間に設けられたスイッチ、圧電振動
子１に交流電圧を供給する電源回路および端子Ｐ、Ｑ、
Ｒが省いて描かれている。

【００２８】図７は直線運動体１２を上部から見たとき
の平面図である。直線運動体１２の上部には複数の板状
のＳｍ−Ｃｏ磁石１５がほぼ等間隔で固着されている。

【００２９】図８は図６に示す実施例の駆動部を圧電振
動子１の側面方向から直線運動体１２の厚さ方向に沿っ
て見たときの平面図である。直線運動体１２は１辺の長
さ３９mm、厚さ４mmの矩形板と、該矩形板の板面の中心
を通り圧電磁器２０の分極軸の方向に平行な直線を中心
に固着する長さ３９mm、幅５mm、高さ１６mmの角柱とか
ら成り、該角柱は長さ３９mm、幅５mmの固着部分によっ
て前記矩形板と固着している。前記矩形板の板面には長
さ３７mm、幅５mm、高さ２mmの溝が２つ設けられてい
て、２つの該溝は前記角柱をはさんで等間隔に配置され
ている。前記溝の底面には摩擦材１３が１mmの厚さで固
着されている。摩擦材１３にはエポキシ樹脂にポリアミ
ドを混入したものが用いられている。

【００３０】図９は図６に示す第３の実施例からＳｍ−
Ｃｏ磁石１５と攪拌子１６とを除いた超音波攪拌装置の
第４の実施例を示す断面図である。使用時には本体上部
を取り外し、マイクロチューブは直接、直線運動体１２
に固定させる。

【００３１】図１０はｒｆパルスを印加する場合のパル
ス駆動のための電源回路の構成図である。パルス発生装
置とミキサとの間にある楕円内の波形はパルス発生装置
の作る波形である。シグナル発生装置とミキサとの間に
ある楕円内の波形はシグナル発生装置の作る波形であ
る。ミキサとパワーアンプとの間にある楕円内の波形は
パルス発生装置の作る波形とシグナル発生装置の作る波
形とが合成されたものである。パルス駆動の際には、こ
のようにして合成された波形を示す交流信号が圧電振動
子１に印加される。すなわち、このような電源回路を用
いることにより、圧電振動子１に印加する交流パルス電
圧の電圧値および交流周波数を調節し、かつ該交流パル
ス電圧のパルス幅およびパルス繰り返し周波数を調節す
ることが可能となる。

【００３２】図１の第１の実施例では、２つの圧電振動
子１のそれぞれの電極２１、２２、２３は回転体２の前
記円板の中心を通り圧電磁器２０の分極軸に平行な直線
に対称な位置にあり、電極２２が設けられている方の側
面を摩擦材３に接触させている。図１の実施例の超音波
攪拌装置の駆動時、スイッチの切り替えによりどちらか
一方の圧電振動子１が駆動する。このようにして圧電振
動子１には電極２１上に設けられた端子Ｐ、および電極
２３上に設けられた端子Ｒを介して、圧電振動子１の共
振周波数に等しい周波数を有する交流信号が印加され
る。圧電振動子１は励振され、圧電磁器２０の側面には
圧電磁器２０の分極軸の方向に沿った一方向の振動変位
が生じる。圧電振動子１は電極２１および２２を分割す
る直線が回転体２の円板の板面に平行になるような位置
に設けられ、しかも圧電振動子１は摩擦材３に接触して
いる。このとき、圧電振動子１が円柱状であることによ
り、圧電振動子１が摩擦材３と接する部分の形状は圧電
振動子１の両端面を結び該両端面に垂直な直線となる。
該直線は、該直線の中心と前記円板の板面の中心とを結
ぶ直線（長さ１２mm）と垂直である。圧電磁器２０の側
面に生じた前記一方向振動変位は、前記直線部分から摩
擦材３を介して回転体２に伝達され、回転体２はその軸
を中心に回転する。このとき摩擦材３は回転による圧電
磁器２０および回転体２の円板の磨耗を防止するだけで
なく、回転により回転体２と圧電振動子１との間に生ず
る高電圧に起因する電磁ノイズを防止する。回転体２の
回転に伴い、回転体２の円板に固着されているＳｍ−Ｃ
ｏ磁石５も回転体２の軸を中心に回転する。このとき、
Ｓｍ−Ｃｏ磁石５の回転に連動する形で攪拌子６もその
中心を軸として回転する。攪拌子６の回転によって、三
角フラスコ中の液体が攪拌される。

【００３３】圧電振動子１に印加する交流信号の周波数
を一定の範囲内で変えることにより、圧電磁器２０の側
面に生じる振動変位の大きさだけでなく、その方向をも
任意に制御するとができる。従って、回転体２の回転速
度の制御および逆回転駆動が可能となるので、攪拌子６
の回転速度の制御および逆回転駆動が可能となり、攪拌
子６を任意の角度で繰り返し反転運動させることも可能
となり、三角フラスコ中の液体に効果的な攪拌作用をも
たらすことができる。

【００３４】圧電振動子１に印加する交流信号の振幅あ
るいは周波数の大きさを変化させることなく、スイッチ
の切り替えのみによって回転体２を逆回転させることが
できる。これは２つの圧電振動子１のそれぞれが回転体
２を回転させる方向が逆であるからである。圧電振動子
１に印加する交流信号の振幅あるいは周波数の大きさを
変化させるのではなく、スイッチを切り替えることによ
り回転体２の回転方向を変化させ、しかもその上で交流
信号の振幅あるいは周波数を一定の範囲内で変化させる
ことにより、圧電磁器２０の側面に生じる振動変位の大
きさを任意に制御するとができるから、回転体２の逆回
転駆動および回転速度の制御がより容易にかつ正確にな
る。従って攪拌子６を任意の角度で繰り返し反転運動さ
せたり、その運動速度を制御することが可能となるか
ら、液体の攪拌効果を増大できる。

【００３５】図１１は圧電振動子１の周波数に対するア
ドミタンスの振幅および位相の関係を示す特性図であ
る。１４０kHz 付近で共振し、約１６８kHz で反共振を
起こしている。約１４０kHz の共振周波数でのアドミタ
ンスのピークが２つに分かれる共振割れを起こしてい
る。これは圧電磁器２０の一方の端面に設けられている
電極が２つに分割され電極２１および２２を形成し、そ
れらが互いに絶縁状態にあることによる。

【００３６】図１２は図１の第１の実施例において印加
電圧と回転体２の回転数との関係を示す特性図である。
前記回転数は印加電圧に対しリニアな関係にあり、その
傾きは約０．４rpm／V である。なお、印加電圧信号の
周波数は圧電振動子１の共振周波数とほぼ等しく、約１
３８kHz である。

【００３７】図１３は図１の第１の実施例において印加
電圧が１００Ｖp-p でその周波数が約１３８kHz のパル
ス駆動を行なったときの、パルス幅と１パルスあたりの
回転角との関係を示す特性図である。Ｎ回転するのに要
する時間をＴとし、パルス繰り返し周波数をｆp とする
と、１パルスあたりの回転角θは（１）式で与えられ
る。 θ（deg.）＝３６０Ｎ／（ｆp ・Ｔ） （１） パルス幅が２０mS以上ではパルス幅と１パルスあたりの
回転角とはほぼ直線的な関係にあるので、電圧を印加し
てから駆動が開始し一定になるまでの時間および電圧を
解除してから駆動が停止するまでの時間は、少なくとも
数十mS以下であることがわかる。電磁モーターの自然停
止が数百mSから数Sであることと比較すれば、本装置の
駆動源の応答速度は極めて速い。また、動作が可能な最
小限のパルス幅は１mSで、そのときの回転角は約０．０
０３°であった。

【００３８】図１の第１の実施例の超音波攪拌装置の起
動方法としてパルス駆動を採用したのは、パルス駆動の
方が連続駆動よりも回転体２の回転速度の正確な制御に
は適しているからである。パルス駆動の際にロータリー
エンコーダを併用したら、回転速度のさらに正確な制御
が行えるようになった。ロータリーエンコーダは角度を
電気信号に変換するものとして用いている。本実施例の
超音波攪拌装置には、単位角度毎にパルスを逐次発生す
るインクリメンタル型を用いた。インクリメンタル型の
最高の分解能は１回転あたり６０００パルスなので、１
パルスあたりの回転角は０．０６°となる。また、誤差
については、パルス駆動における最少回転角が図１３よ
り０．００３°でありインクリメンタル型の分解能が
０．０６°であることから、最大誤差は５％となり極め
て微少な値である。従ってインクリメンタル型を併用す
れば、回転体２の回転速度の制御がさらに改善される。
このようにして極微少量の液体の攪拌子６による攪拌効
果が増大し、化学反応だけでなく滴定などにも有効であ
る。

【００３９】図５の第２の実施例では、三角フラスコが
回転体２に直接固定されている。従って、本実施例の駆
動時、回転体２の回転に伴って三角フラスコ中の液体は
攪拌される。また、回転体２を任意の角度で反転運動さ
せたりその運動速度を調整したりすることができるか
ら、液体の攪拌効果はさらに高まる。

【００４０】図６の第３の実施例では、２つの圧電振動
子１のそれぞれの電極２１、２２、２３は前記矩形板の
板面の中心を通り圧電磁器２０の分極軸の方向に平行な
直線に対称な位置にあり、電極２２が設けられている方
の側面を摩擦材１３に接触させている。本実施例の超音
波攪拌装置の駆動時、スイッチの切り替えによりどちら
か一方の圧電振動子１が駆動する。このようにして圧電
振動子１には電極２１上に設けられた端子Ｐ、および電
極２３上に設けられた端子Ｒを介して、圧電振動子１の
共振周波数に等しい周波数を有する交流信号が印加され
る。圧電振動子１は励振され、圧電磁器２０の側面には
圧電磁器２０の分極軸の方向に沿った一方向の振動変位
が生じる。圧電振動子１は電極２１および２２を分割す
る直線が直線運動体１２の前記矩形板の板面に平行にな
るような位置に設けられ、しかも圧電振動子１は摩擦材
１３に接触している。このとき、圧電振動子１が円柱状
であることにより、圧電振動子１が摩擦材１３と接する
部分の形状は圧電振動子１の両端面を結び該両端面に垂
直な直線となる。該直線と、前記矩形板の板面の中心を
通り圧電磁器２０の分極軸の方向に平行な直線との最短
距離は１２mmである。圧電磁器２０の側面に生じた前記
一方向振動変位は、前記直線部分から摩擦材１３を介し
て直線運動体１２に伝達され、直線運動体１２は圧電磁
器２０の分極軸の方向に直線運動する。このとき摩擦材
１３は直線運動による圧電磁器２０および直線運動体１
２の磨耗を防止するだけでなく、直線運動により直線運
動体１２と圧電振動子１との間に生ずる高電圧に起因す
る電磁ノイズを防止する。直線運動体１２の運動に伴
い、直線運動体１２の矩形板に固着されているＳｍ−Ｃ
ｏ磁石１５も直線運動する。このとき、Ｓｍ−Ｃｏ磁石
１５の運動に連動する形で攪拌子１６も運動する。攪拌
子１６の運動によって、マイクロチューブ中の液体が攪
拌される。

【００４１】圧電振動子１に印加する交流信号の周波数
を一定の範囲内で変えることにより、圧電磁器２０の側
面に生じる振動変位の大きさだけでなく、その方向をも
任意に制御するとができるから、直線運動体１２の運動
速度の制御および逆方向駆動すなわち反復運動が可能と
なるので、攪拌子１６の反復運動とその運動速度の制御
が可能となり、マイクロチューブ中の液体に効果的な攪
拌作用をもたらすことができる。

【００４２】圧電振動子１に印加する交流信号の振幅あ
るいは周波数の大きさを変化させることなく、スイッチ
の切り替えのみによって直線運動体１２を逆方向駆動さ
せることができる。これは２つの圧電振動子１のそれぞ
れが直線運動体１２を運動させる方向が逆であるからで
ある。圧電振動子１に印加する交流信号の振幅あるいは
周波数の大きさを変化させるのではなく、スイッチを切
り替えることにより直線運動体１２の運動方向を変化さ
せ、しかもその上で交流信号の振幅あるいは周波数を一
定の範囲内で変化させることにより、圧電磁器２０の側
面に生じる振動変位の大きさを任意に制御するとができ
るから、直線運動体１２の反復運動および運動速度の制
御がより容易にかつ正確になる。従って攪拌子１６によ
る攪拌効果を増大できる。

【００４３】図９の第４の実施例では、マイクロチュー
ブが直線運動体１２に直接固定されている。従って、本
実施例の駆動時、直線運動体１２の運動に伴ってマイク
ロチューブ中の液体は攪拌される。また、直線運動体１
２を反復運動させたり運動速度を調整したりすることが
できるから、液体の攪拌効果はさらに高まる。

【００４４】

【発明の効果】本発明の超音波攪拌装置では、その駆動
源として超音波アクチュエータを用いている。柱状の圧
電磁器の分極軸に垂直な両端面には電極が設けられてい
る。一方の端面に設けられている電極は２つに分割さ
れ、かつ互いに絶縁されていて、もう一方の端面に設け
られている電極は端面の全部をおおっている。圧電振動
子はこのような圧電磁器と電極とからできている。この
ように圧電振動子の少なくとも一方の端面に形成されて
いる電極を互いに絶縁された２つの部分に分割し、２つ
の電極とすることにより、一方の電極を自励式電源のた
めの電極として用いることができる。従って、本発明の
超音波攪拌装置では温度などの環境変化に対し安定でか
つ低消費電力での駆動が可能となる。圧電振動子にその
共振周波数に等しい周波数の交流信号を印加すると、圧
電振動子は励振されて圧電磁器の側面には圧電磁器の分
極軸の方向に沿った一方向の振動変位が生じる。この振
動変位は摩擦材を介して物体に伝わり、物体が運動す
る。このときの摩擦材は圧電磁器と物体との接触による
摩耗を防止するだけでなく、駆動時に圧電振動子と物体
との間に発生する高電圧に起因する電磁ノイズも防止す
る。電気的入力に対する応答速度が速いのでパルス駆動
が正確かつ容易に行え、しかも無入力時の保持力が大き
いので、微少容量の正確でかつ均一な攪拌が可能であ
る。従って、密閉系での微少量の化学反応だけでなく、
極微少量の滴定や長時間にわたる培養液の振とうなどに
は特に有用である。また、低消費電力での駆動が可能
で、騒音も無く、自励式駆動も可能で、電池での駆動も
容易なことから、一定の温度と湿度を保った密閉室での
長時間の使用も可能である。さらに、超低速・高トルク
駆動が可能なので、ギヤが不要であるから、装置の小型
化かつ軽量化を実現できる。従って、密閉系や開放系で
の極微少量の液体の攪拌が可能となる。

【００４５】物体が容器そのものである場合の他に、物
体が回転揺動体または移動体である場合もある。物体が
容器である場合、圧電磁器の側面に生じる振動変位は容
器に直接伝わり容器を運動させ、容器内の液体を攪拌す
る。物体が回転揺動体または移動体である場合、圧電磁
器の側面に生じる振動変位は回転揺動体または移動体を
運動させ、その運動によって容器内の液体は攪拌され
る。

【００４６】物体の少なくとも一部分が磁性体であると
同時に、容器内の液体に漬けられている攪拌子の少なく
とも一部分が磁性体である構造を採用することにより、
物体の運動に伴って攪拌子も運動するので、容器内の液
体が攪拌される。

【００４７】圧電振動子を２つ備え、しかもそれぞれの
圧電振動子による物体の運動方向を逆にした構造を採用
することにより、どちらの圧電振動子を駆動させるかで
物体の運動方向を制御することができる。しかもその上
で圧電振動子に印加する交流信号の振幅あるいは周波数
を一定の範囲内で変えることにより、圧電磁器の側面に
生じる振動変位の大きさを任意に制御することができる
から、物体の運動速度の制御がより容易にかつ正確にな
る。従って回転揺動体の任意の角度の反転運動や移動体
の反復運動が可能となり、さらにその運動速度を自由に
制御できるから、極微少量の液体の攪拌効果を増大でき
る。なお、圧電振動子を３つ以上使用し、それぞれの圧
電振動子を物体の運動方向を同一にするように配置すれ
ば、さらなる高トルク駆動を実現させることができる。
また、圧電振動子を複数個使用し、それぞれの圧電振動
子による物体の運動方向、運動距離および運動速度を所
定の値に設定し、物体の移動軌跡の始点と終点とを一致
させることにより、物体に所定の周期を有する運動を維
持させることができる。このようにして、より効果的な
攪拌が可能となり、特に長時間にわたる極微少量の液体
の振とうに有用である。

【００４８】本発明の超音波攪拌装置では、連続駆動の
他にパルス駆動ができる。励振電圧として交流パルス電
圧を出力し、交流パルス電圧の電圧値および交流周波数
のうち少なくとも一方を調節する手段と、交流パルス電
圧のパルス幅およびパルス繰り返し周波数のうち少なく
とも一方を調節する手段とを駆動回路に備えた構造を採
用することにより、圧電磁器の側面に生じる振動変位の
大きさと方向を自由に変えることができる。従って、物
体の運動方向と運動速度を自由に調節できるから、回転
揺動体の反転運動や移動体の反復運動が可能となり、そ
の運動速度の自由に調節できる。このようにして、極微
少量の液体の攪拌効果を増大することができる。また、
長時間にわたる極微少溶液の振とう効果を増大すること
もできる。

【００４９】本発明の超音波攪拌装置では、圧電振動子
が、この圧電振動子の容量およびインダクタンスを主な
リアクタンス成分とする共振回路で共振して発振する発
振回路から交流電力を受けて励振される。従って、本発
明の超音波攪拌装置では外部温度などの環境変化にも対
応しうる駆動回路を提供できる。すなわち、外部温度な
どの変化により物体の運動速度が変化することがないの
で、常に均一な攪拌が可能となり、氷点下百数十度から
常温を経て百数十度付近までの広い温度範囲での連続使
用が可能となる。

【００５０】パルス駆動の際にロータリーエンコーダを
併用することにより、物体の運動速度をさらに正確に制
御することができる。従って、極微少量の液体の攪拌効
果をさらに増大でき、長時間にわたる極微少溶液の振と
うなどに特に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波攪拌装置の第１の実施例を示す
断面図。

【図２】圧電振動子１の斜視図。

【図３】回転体２を上部から見たときの平面図。

【図４】図１に示す実施例の駆動部を圧電振動子１の側
面方向から回転体２の軸の方向に沿って見たときの平面
図。

【図５】図１に示す第１の実施例からＳｍ−Ｃｏ磁石と
攪拌子６とを除いた超音波攪拌装置の第２の実施例を示
す断面図。

【図６】本発明の超音波攪拌装置の第３の実施例を示す
断面図。

【図７】直線運動体１２を上部から見たときの平面図。

【図８】図６に示す実施例の駆動部を圧電振動子１の側
面方向から直線運動体１２の厚さ方向に沿って見たとき
の平面図。

【図９】図６に示す第３の実施例からＳｍ−Ｃｏ磁石１
５と攪拌子１６とを除いた超音波攪拌装置の第４の実施
例を示す断面図。

【図１０】ｒｆパルスを印加する場合のパルス駆動のた
めの電源回路の構成図。

【図１１】圧電振動子１の周波数に対するアドミタンス
の振幅および位相の関係を示す特性図。

【図１２】図１の超音波攪拌装置において印加電圧と回
転体２の回転数との関係を示す特性図。

【図１３】図１の超音波攪拌装置において印加電圧が１
００Ｖp-p でその周波数が約１３８kHz のパルス駆動を
行なったときの、パルス幅と１パルスあたりの回転角と
の関係を示す特性図。

【符号の説明】

１ 圧電振動子 ２ 回転体 ３ 摩擦材 ４ 支持台 ５ Ｓｍ−Ｃｏ磁石 ６ 攪拌子 １２ 回転体 １３ 摩擦材 １４ 支持台 １５ Ｓｍ−Ｃｏ磁石 １６ 攪拌子 ２０ 圧電磁器 ２１ 電極 ２２ 電極 ２３ 電極

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電振動子により電気振動を超音波の弾
   性振動に変換し、該弾性振動に基づく力により容器内の
   液体を攪拌する装置において、 前記圧電振動子は柱状の圧電磁器と、該圧電磁器の分極
   軸に垂直な両端面にそれぞれ形成されている第１および
   第２の電極とから成り、 前記第１および第２の電極のうち少なくとも一方は互い
   に絶縁された２つの部分に分割されており、 前記圧電磁器の側面に物体を押し付ける手段を有し、該
   物体が前記側面から受ける力を前記液体に伝えることに
   より該液体を攪拌することを特徴とする超音波攪拌装
   置。
2. 【請求項２】 前記物体が所定の軸の回りに回転し又は
   揺動する回転揺動体か、又は所定の案内レールに沿って
   移動する移動体であることを特徴とする請求項１に記載
   の超音波攪拌装置。
3. 【請求項３】 前記物体が前記容器であることを特徴と
   する請求項１に記載の超音波攪拌装置。
4. 【請求項４】 前記物体の少なくとも一部分が磁性体で
   あり、前記液体に漬けられる少なくとも一部分が磁性体
   でなる攪拌子が前記容器内に納められていることを特徴
   とする請求項１に記載の超音波攪拌装置。
5. 【請求項５】 前記圧電振動子に励振電圧を供給する駆
   動回路は、該励振電圧として交流パルス電圧を出力し、
   該交流パルス電圧の電圧値および交流周波数のうちの少
   なくとも一方を調節する手段と、該交流パルス電圧のパ
   ルス幅およびパルス繰り返し周波数のうちの少なくとも
   一方を調節する手段とを備えることを特徴とする請求項
   １乃至４に記載の超音波攪拌装置。
6. 【請求項６】 前記圧電振動子は、この圧電振動子の容
   量およびインダクタンスを主なリアクタンス成分とする
   共振回路で共振して発振する発振回路から交流電力を受
   けて励振されることを特徴とする請求項１乃至４に記載
   の超音波攪拌装置。