JPS63503370A - 粒状物質操作方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 粒状物質操作 本発明は、粒子混合物から異粒子を凝離する等、超音波エネルギーを用いる流体 媒質中での粒状物質操作に関する。

音響エネルギー源によって発生される定在波は流体中の懸濁粒子動作に影響を与 えるため種々の方法で用いられ、たとえば定在波の各節に粒子を引き付は得るこ とが知られている。原理的に、引き付けられた粒子は定在波の伝搬軸と垂直な各 節部に集合する。この際、観察された定在波現象における精確な理論およびそ６ らの粒子作用は十分に理解されてはおらず、特に粒子タイプの如何に拘わらず粒 子を節または腹のどちらに集合せしめるかを左右する要因は明らかではない。し かしながら、実用上回れの粒子タイプが節または腹のどちらに集合するかは重要 でないと推測されるので、この理論的理解の不足は本発明の実用化に何ら支障が なく、この明細書において、用語節および節部とは節および腹をも含むものであ る。

定在波がその軸に沿って移動させると、各節に引き付けられた粒子は該定在波に 接触させたまま、流体を介して運搬することが出来る：これは、例えば、英国特 許公開第２０９８４９８Ａ号明細書において提案されている。さらに、種々の音 響特性を有する粒子、特に種々の大きさおよび密度を有する粒子は定在波の音響 エネルギーによって様々の態様で影響され得ることが見出され、クロマトグラフ 式分析法において種々の粒子タイプに分離するために超音波を用いて粒子を操作 することが提案されている。米国特許第４２８０８２３号明細書に、定在波が各 節で種々の粒子を種々の時間保持することによって公知のクロマトグラフにおけ るカラムのプレートとして機能することができ、定在波に沿って軸方向に向けら れたガス流によって定在波を介して各粒子を運搬出来ることが示唆されている。

又、米国特許第４５２３６３２号明細書（バーメッツ等）に開示された装置を挙 げることもできる。そこでは、チャンバ高さの１／２の長さの波長を有する定在 波が確立されている水平チャンバの長さ方向に沿った流体の流動によって運搬さ れるにつれて種々のタイプの粒子がある程度分離される。これは、各粒子が集合 しようとするチャンバの中間高さ領域における、いわゆる力のポテンシャル井戸 が形成される。各粒子の重力は種々の粒子タイプのある程度の垂直分離を惹起す る。すなわち、各タイプの粒子はその粒子タイプへの重力の影響に応じて等ポテ ンシャル面を表す所定高さ位置に配置される。

上記の全従来方法における特徴は各節に引き付けられた粒子の制御または処理が 各節からの距離に応じて、すなわち定在波の軸方向に沿って各粒子に作用する音 響力に依存することである。この種の装置に存在しかつより微細な粒子の処理に 適したより高い超音波周波数領域で特に深刻な事態となる問題点の１つは超音波 源から伝搬されるエネルギーに減衰が生じることである。ビームの発散はこの作 用を強める。したがって、流体に一方向力、すなわち、最小値以上で流体に放射 源から離間する運動を惹起せしめる放射波圧としてエネルギー密度勾配がもたら される。この明細書において音響ストリーミングと称する流体運動は、これらの 粒子に直接作用する音響力を介して各粒子の運動を制御する場合、特にこれらの 音響力を種々の粒子タイプを区別するために用いた場合、明らかに何らかの妨害 作用を有する。

定在波が単−源からの超音波放射の共軸反射によって流体中に形成される場合、 音響ストリーミングを発生する定在渡場全体にわたって該流体に作用する放射圧 力が存在する。各出力の干渉により定在波を確立するため２つの対向超音波変換 器を用いることによって、両音源間の僅かな部分で実質的に放射圧を平衡させる ことができる。

２０’Ｃの水中の定在波に関し、種々の周波数に対する３種類の不平衡許容レベ ル内にあるものを平行な音響ビームとみなして、それらの有効な全作用距離をＷ ｌｍで示す。

第１表 最大不平衡２％が許容される場合、水中、３　Ｍ　Ｈｚで真正なエネルギー平衡 点から両側２２ｍｍで有効であり、最大全作用距離は４４關である。表から明ら かなように、有効作用距離は周波数の増大にしたがってより制限され、これはよ り高い周波数を用いる場合の最も重要な唯一の制限事項である。

他の要因は、実験的に示されることであるが、顕著な音響ストリーミングを生じ る前ではある程度の不平衡を許容できるけれども、超音波を使用して種々の粒子 タイプに区別する連続処理の有効量がこの現象によって必然的に制限されるとい うことである。分離率が長さ寸法の２乗に比例して増大するので、作用容器の容 量を増大することによって種々の粒子タイプの分離時間を減少させることは非実 用的である。

本発明は、新規な概念に基づくものであり、定在波の部平面における不均一な音 響エネルギー強度によって流体媒質中での粒子操作方法を提供するものである。

この方法は音響ストリーミングの問題を軽減しかつ部平面に垂直な粒子の動きを 制御することによる以前に提案された方法と比較して他の優れた利点がある。

本発明によれば、流体中に超音波定在波を確立し、該定在波は流体中で１つまた は複数の部平面において種々のエネルギー強度を有するとともに、１つまたは複 数、の部平面に粒子の少なくとも一部分を集合させる特性を有し、１つまたは複 数の部平面における各粒子運動を少なくともそれらの部平面方向に作用する成分 を有する流体粘性力および／または場の力を介して制御する、流体媒質中での粒 子操作方法が提供される。

又、本発明によれば、粒子が懸濁された流体を収容するチャンバ、該チャンバ内 で超音波定在波を発生する手段並びに該チャンバ内の少なくとも一部分において 上記定在波に１つまたは複数の部平面で不均一なエネルギー強度を付与する手段 から成り、上記種々のエネルギー密度作用を、各粒子に少なくとも１つまたは複 数の部平面方向に作用する成分を存する流体粘性力および／または場の力と協働 させて１つまたは複数の部平面と平行な方向への粒子の少なくとも一部分の運動 を制御する、流体媒質中の粒子操作装置が提供される。

平均−工不ルギー強度発生手段として、音響シャドウを発生するかまたは回折も しくは焦点合わせ効果を生じるスクリーンを使用すると好都合である。なお、単 に音響ビームに、特にその縁部で不均一性を得られるものであっても十分である 。

実用上、エネルギー強度変化は一般に流体媒質に対し移動する部平面の繰り返し パターンとして形成され、これは、本明細書において゛″節波と記す。

節減は超音波伝搬軸に垂直にエネルギー勾配アレイを設けかつ波を伝搬する流体 に対し部平面に沿って該アレイを移動させることによって発生する。このように 、音響エネルギーの影響を受けた粒子は超音波放射軸に垂直移動し、これは作用 容器における作用ゾーンの長さが超音波周波数によって制限されないことを意味 する。減衰はエネルギー勾配の変位方向には発生せず、よってその強度を増大す ることにより分離率は作用量の増大と整合させることができる。

さらに、流体の残留ストリーミングは分離が行われる方向には作用しないので、 粒子運動面に垂直に作用する逆ビームにおける太細の不平衡度は一般に許容され るから減衰は余り重要ではない。

節減の使用は空間の種々の部分において作用する音響力レベルを全く自由に変化 せしめ得るようにするものである。すなわち、各節減は種々の領域において種々 の速度で運動しかつ種々の強度で作用せしめることができる。速度の時間的およ び空間的変化を用いることができる。

１つまたは複数の部平面は一般に超音波伝搬軸に垂直な作用容器の対向壁に平行 に設定され、その機構部は、音響伝搬プレート自体によって形成し得る壁部が該 定在波における各節と位相１８０°をもって離間する各平面と一致するように構 成することができる。超音波に応答する各粒子を壁から自動的に離間せしめて、 吸着および／または界面効果による粒子のトラッピングを防止するようにする。

部平面における不均−エイルギー密度の使用は今までのところｌ軸に沿ってのみ 生じるエネルギー密度勾配に関して検討されてきたに過ぎなかったが、２次元節 波の発生および利用に用いることができる。このようにｙ方向において伝搬軸を 有する定在波の場合、エネルギー密度勾配をＺおよびＸの両方向における部平面 で形成することができる。

実際的な具体例として、節減は必ずしも直線的に動く必要はない。

節減における粒子は曲線運動を行うようにしてもよく、作用容器はコイルまたは 回転体としてもよい。しかしながら、以下に説明するように、節減が音響ストリ ーミングのような副作用によって過度に影響されること無く全てか無かの超音波 定在波識別特性を有するので、一般に非常に長い作用行程は必要ではない。

各肺表面が均一な音響エネルギー密度を有するような超音波の伝搬によって節ア レイが発生されるような理想的な（すなわち、非粘性の）流体において、肺表面 と平行な粒子運動は当該系の正味の自由エネルギーを変化せず行われる。これは 例えば重力または電磁場等の場のいかなる力も粒子に作用しないものと推察され 、粒子運動に何ら作用しないからである。エネルギー密度が均一でない場合、エ ネルギー密度勾配に比例する力が節と共面方向における節で粒子に作用して各粒 子をエネルギー密度増大方向に駆り立てる。

現実の流体において、流体に対する粒子の運動は常にスト−クス力（この語は本 明細書において運搬流体に対する粒子相対運動の結果として粒子に作用するあら ゆる牽引力を含む意味に用いる）によって妨害される。音響エネルギー密度勾配 に対し定在波の軸に垂直に、すなわち定在波の各節に平行に流動する均一流体に 懸濁された粒子の場合、ストークス力が局所エネルギー密度勾配によって生じる 反対方向の音響力よりも大きいと、節における粒子は流体の流動方向に移動する 。エネルギー勾配が部平面を横断して揺動する場合、粒子は時々高エネルギーゾ ーンに近付くにつれてより早く移動し、時々そのようなゾーンから離れるにつれ てより遅く移動するが、節を通過する際、流体の流動方向における粒子の平均速 度は流体速度に一致する。勿論、流動母体が静止しかつ定在波が軸に垂直に変位 させられる場合も同様に考察される。

流体の流動および高エネルギーゾーンの変位が共に部平面に垂直であり、流体の 流動に寄与するストークス力が該流体の流動方向における各粒子への音響力より も大きく維持されるとみなすと、粒子が高エネルギーゾーンの変位方向において エネルギー密度勾配に出会うと、次のような２つの状態が得られる。

（１）　当該勾配の移動に基づく粒子への音響力が対向ストークス力を超える場 合、粒子は高エネルギーゾーンの変位速度で移動し、よって流体の流動が定在波 から粒子を運び出す時、該粒体は高エネルギーゾーンの変位方向に作用する音響 力によるそのエントレインメントに基づき変位するようにされる。

（２）高エネルギーゾーンの変位速度での粒子運動が音響力よりも大きなストー クス力を生起する場合、粒子は高エネルギーゾーンにおいて最も急峻なエネルギ ー勾配を受け、これらの粒子はもはや定在波に対する当該ゾーンの運動によって 連珠状態とすることができない。高エネルギーゾーンがその行路を閉じると、粒 子は実質的に該高エネルギーゾーンにより変位せしめられない。

このように、部平面に沿った運搬流体の流動とは独立的に各パラメータを調整す ることによって、音響エネルギーによって影響される粒子の部平面内での運動を 制御することができる。この場合、節の音響エネルギー密度における不均一性運 動またはそのような不拘−性節減アレイが用いられる。

音響力および非音響力が実質的に釣り合っている条件下で類似粒子群が節減に分 布せしめられた場合、各粒子は該波により種々のモーメントで移動するかまたは 該波により何ら実質的に変位せしめられないかのいずれかとされる。それ故、終 始、粒子は波の平均速度よりも遅い平均速度で移動する。この特性は粒子の節移 動度（Ｍ、）と称することができ、該節移動度は０または１の一連の瞬時移動度 から定義されるので、０〜１間の値を有する。特定の粒子タイプが１よりも小さ くかつ０よりも大きい節移動度を有する条件の範囲は小さく、実際に、これら２ つの最終値間での急激な変化を阻止するのに必要最小限の乱流が存在するに過ぎ ない。

節移動度は場の力および節減間の相対速度に依存し、その結果、音響勾配および あらゆる対向力（ストークス力または重力場若しくは電磁場のような場の力）の 両者は方向が異なるので、それと同時に粒子は部平面において２つの相互に垂直 な方向に異なる節移動度を有する。例えば、直交系においてｘｚ平面が部平面を 画定するとともに該節減がＸ方向に移動する場合、これに垂直なＺ方向に流体の 流動が存在するから、粒子は各方向にそれぞれ異なりかつ独立して影響を受け、 よって２つの節移動度Ｍ１．およびＭｌ、を有する。

これは前記従来技術として参照した装置と著しく異なり、粒子群を制御するため に単に定在波の軸方向に作用する音響力及び非音響力を平衡させることが利用さ れる。該定在波の各節は実質的に均一な音響力領域として扱われる。これは定在 波の主断面のみを良好に保持するとともに両限界領域に音響エネルギー勾配が存 在するにも拘わらず、このようなエネルギー密度勾配が余りにも低すぎるという 理由に過ぎない場合、粒子運動を制御するためにそのような変形例を利用するこ とは示唆されないばかりか全く実用されることもなかったに違いない。

本発明は非常に広範な種々の粒状物質操作に適用できる。この種の粒状物質とい う語は主に巨大分子（例えば、球形蛋白質）からビールス、バクテリアおよびイ ースト類を通して組繊細胞（例えば、植物細胞、動物細胞および全集合体）等の 生物粒子並びに分散物、懸濁物、粉砕沈澱物、コロイドおよびそれと類似の系等 の無機および有機物質を意味するものである。。

さらに図面によって、本発明を、実施例を示す添付図面とともに説明する。

第１図は節移動度に対するエネルギー勾配変化の効果を示すグラフであり、 第２ａ図および第２ｂ図は各々階段状不均一音響エネルギー勾配を示す図および 該エネルギー勾配を用いて異粒子タイプを分離する説明図であり、 第３図および第４図は各々本発明の装置の断面図および該装置のシャドウスクリ ーンの断面図であり、 第５図および第６図はともに第３゛図の変形装置用の焦点合わせスクリーンを示 し、 第７図および第８図は本発明の他の２つの変形例の断面図であり、第９図は節減 発生用変換器アレイを示し、第１０図および第１１図は節減における音響エネル ギー分布および勾配を示すグラフであり、 第１２図および第１３図は非対称エネルギー密度勾配発生用スクリーンの側面図 および平面図であり、そして第１４図は本発明のもう１つの変形装置の概略図で ある。

第１図は音波エネルギー密度勾配Ｇに対する一連の異なる粒子タイプＡＳＢ、Ｃ ，Ｄの節移動度変化をプロットしたものである。タイプ八粒子は音響エネルギー の影響が最小であり、他の粒子クイズよりも容易に部平面におけるエネルギー密 度勾配に抗して移動することができる。粒子タイプＢ、ＣおよびＤはこの順序で 定在波により保持され易いものであるが、エネルギー密度勾配の臨界値付近で各 粒子タイプの節移動度はＯから１まで変化し、該臨界値でわずかでも乱流とか不 均質部が在ると拡散される。この後者の不均質性は生物粒子では重要なことであ る。

単に説明のために、第１図、第２ａ図および第２ｂ図において数値が示される。

それぞれ特定の音響エネルギー密度勾配で各種の粒子タイプの節移動度が各帯域 に属し、各粒子タイプの帯域幅を下記の表に示す。

第２表 第２ａ図は定在波のｘｚ節平面における音響エネルギー勾配パターンを示し、そ こではＺ方向に所定の間隔をもってＸおよびＺ方向での音響エネルギー勾配Ｇ、 およびＧ８に対し第２表に示される数値間で階段的に変化する定在波が生成され る。そのようなパターンを第２ｂ図を参照して考察するにあたり、粒子タイプＡ ＳＢ、Ｃ，Ｄがら成る混合物がＸ方向に流動する液体によって定在波に導入され るとともにその最大エネルギー密度勾配が粒子タイプＢ、ＣＳＤの臨界値以上で ありかつ粒子タイプＡの臨界値より大きくはされない。第１図および第２表から 明らかなように、各種のエネルギー密度勾配で勾配の大きさが次の粒子タイプに 関する臨界値以下に低下する。

混合した粒子タイプＡ、ＥＳＣ，Ｄが点Ｐで定在波に入り込むと、タイプＡの粒 子はすぐに液体の流動を介して定在波を通過することができる。残りの粒子タイ プＢ、Ｃ，Ｄは音響エネルギー勾配Ｇ６、Ｇ、によって保持されるが、それらに おける粒子Ｂへの効果が多少弱められ、該粒子ＢはＸ方向に拡散するとともに２ 方向において減速する。次いで、音響エネルギー勾配値がＢタイプ粒子の臨界値 以下に低下すると、Ｂタイプ粒子は液体の流動によって順次運び去られる定在波 かも解放され、次いで同様の方法で粒子タイプＣおよびＤが輸送されて分離され る。

このようにして、この方法により特定タイプ粒子を粒子の流れに対してほぼ直角 方向に連続的に分離することができる。この流れの大きさは音響放射の物理的特 性によって制限されない。

作用行程に沿ったエネルギー密度勾配は各別の行程において減少するように変化 して連続的に各粒子タイプを放出するものでは、特別の場合、線形または非線形 状に連続的に変化させることが好ましい。

種々の粒子タイプに分離するには、それらの粒子が液体の流動によってエントレ インしようとするＧ、力によって連続的に放出されさえずれば原理的に十分であ る。もし、Ｇヨカにょっ°Ｃ保持されたままであれば、これらの粒子は当該液体 と一緒に移動するが、該粒子がより小さいＧ、勾配帯域に達するまで節減に対し Ｚ方向に引き戻されるはずであるので、両方向における勾配の変化によって同時 に放出される場合よりもゆっくりした速度で移動する。

異種粒子タイプの最大限の識別に関し、２つの勾配ＧいＧ、は等しくし、これに より、任意の粒子タイプに関しＭｌ、およびＭ。が共に０または１となり、Ｚ方 向の節波速度（Ｖ、）はＸ方向の平均液体の流動速（Ｖｌ）と一致させる。すな わち、Ｇ、　Ｇ。

機械的および電気的に節減を発生しかつ移動させるために種々の手段が用いられ る。簡単な機械的手段は容器に沿って一組の音響シャドウを投影し、各シャドウ 端部が部平面において液体の流動に対して垂直に、平行に、または斜交状に移動 するようにする。水のような液体媒質に対し適当な周波数（すなわち約５００Ｋ Ｈｚ以上）で、比較的鋭いシャドウを得ることができる。周波数がより高くなれ ばなる程、音響シャドウがより鋭くなり、一般的にはＭＨｚ範囲の周波数が好ま しい。

このようなシャドウを生成するためスクリーンを使用した装置例を第３図および 第４図に示す。第３図の断面図において、ジルコン酸チタン酸バリウム製変換器 １２との音響結合に適した液体を収容しているタンクｌＯが示され、該タンク１ ０の対向平行側部にそれぞれ配置された変換器１２は該タンク液中に浸漬されか つ該タンク内で長さ方向に両側部と平行に伸延している作用カラム１４から適当 に離間している。該カラムは変換器の超音波周波数に対して透過性を有する側壁 １６を有する。観察を容易にするために、各端壁１８および可能であれば各側壁 は光透過性とされる。このカラムはシャドウスクリーン２０内に配置され、この シャドウスクリーンは当該カラムの両側壁１６と平行でかつカラムの両側壁１６ とほぼ接触する側壁を有する。

上記スクリーンの各側壁は交互に設けられた一連の平行状垂直舌片２２およびス ロット２４から成り、該スクリーンは使用される超音波周波数を反射する材料か ら製作される。対向側壁の各舌片は変換器１２の伝搬軸と一致している。このよ うにスクリーンは１つ置きに区画部を形成し、当該カラムは対向する一対の舌片 ２２によって超音波伝搬から保護されるかまたは干渉スロット２４を介してカラ ム内に障害もなく超音波伝搬するように暴露される。このようにしてエツジを鋭 くした音響シャドウアレイが各スロットを介してカラムに入来する超音波の干渉 によって生起した定在波中に形成される。このシャドウスクリーンの幅および間 隙を適当に定めることにより一連の離間したカラム状定在波が連続間隙部間の作 用チャンバ内に生起するようにされる。特に重要なことはエネルギー勾配を決定 するシャドウエツジの鋭さである。超音波ビームは完全に規準化されないので、 各スロット２４を通過するいくらかのエネルギーは舌片２２の内面で反射される 。相互反射により対向舌片間で定在波の形成を防止することが必要である場合、 対向舌片間の距離は４分の１波長の奇数倍とする。

第５図および第６図は第３図の装置と同様の形式の他の装置を示し、スクリーン ４０は透過性側壁１６によりカラム１４の対向（１ｇを取り囲んでいる。この装 置において、該スクリーンは音響エネルギーを反射するかまたは焦点合わせする ことによって節減を形成して不均一エネルギー密度を生成するものである。該ス クリーンは連続した壁４２を有し、これらの壁４２は超音波伝搬波長で浴液の音 響伝搬特性とは異なる音響伝搬特性を有する材料から生成される。

６壁４２の片面または両面にくぼみ４４から成るグリッドが形成される。各くぼ みは球形であり、曲率半径は適宜に定めて超音波を均一に入射伝搬せしめてカラ ム１４を貫通ずるにつれて鋭い集束ビームを形成するようになっている。スクリ ーンの対向壁における各球形くぼみは整列されてカラム１４における対向集束ビ ームが同軸状にされる。

勿論、所要の音響エネルギー勾配を提供する焦点合わせスクリーンは、例えば円 柱形部分を有するくぼみを有する種々の形態に変形して部平面における一方向に おいてのみ不均一な音響密度を形成するようにしてもよい。

上記のようなスクリーンを適当な一定速度で移動（または粒子を搬送する液体を 移動）させることによって、音響エネルギー勾配は液体に対して粒子を移動させ ることができる。装置の形式および該装置における操作方法に応じて適宜変形し たものを用いることができるが、所望によりその他の変形形式のものを用いるこ ともできる。

スクリーンの両壁における素子アレイの連続素子間の間隙と同一またはそれ以上 の距離を移動させた後、スクリーンはより速い速度で出発位置に戻される。この ように素早く戻す目的は、スクリーンによる粒子戻り運動が増大戻り速度に関連 した大きいストークス力によって妨害される場合、連続する各素子と協働せしめ られた各エネルギー勾配に粒子を移動させることにある。そのような条件は粒子 を保持しているエネルギー勾配から粒子を掃き出すようにすることである。各粒 子はこの運動サイクルを連続的に繰り返すことによってスクリーンの長さ方向に 輸送される。第３図および第４図における数値例かられかるように、スクリーン は１または２ｍ１Ｉ＋だけ振動させる必要がある。

液体カラム１６がスクリーンの代わりに動く場合、第５図および第６図に示した ようなスクリーンは静止させ得るので、別のスクリーン素子が必要でないことは 明らかである。これによって、必要とする焦点合わせ効果を提供するように配置 された音響カップリングブロックを介して作用液に超音波変換器を結合すること が可能となる。金属製、例えばアルミニウム合金製音響カップリングブロック自 体は公知であり、第５図および第６図に関して記載したと同様の焦点合わせ効果 を提供するために、カップリングブロックの末端部および液体間の内面に第５図 のくぼみＡ４に対応する一連の、例えば球形のくぼみを設け、これによって各く ぼみが一様に液体に入来する超音波を焦点合わせする。液体カラムの対向側部の 壁はカップリングブロックと同軸状に同様のくぼみを有する。この壁面をカップ リングブロックから適当に離間させて定在波の部面ば鋭いエネルギー勾配を有す るようにする。レンズ素子の大きさは金属中の超音波の波長よりも長くすべきで ある。

セラミック変換器は容易かつ安価に広範な大きさおよび形で製造することができ 、これらの強誘電性体は単に有効な出力を出力するための最適電圧だけを必要と する。円筒状節部を得るには比較的大きい円筒状変換器を用いることが実用的で ある。第７図は管状カラム５０の縦断面図を示し、該管状カラムは短距離、例え ば５ｍｍ間隔をもって離間した同心状筒状側壁５２を有し、非常に深い環状空間 を包囲している。隔壁５４は円周部における一点で環状空間を完全に封鎖する。

円筒状セラミック変換器５６（最初の４分の１だけ示した）はカラムの周囲に同 軸状に延びている。筒状シャドウスクリーン５８（２番目の４分の１だけ示した ）もまたカラムに同軸状であり、前記のようにスロットを設けた壁を有し、該ス ロットはカラムの軸方向に延伸している。カラムの軸周部に上記スクリーンを振 動させる手段（図示しない）が設けられる。

各ボート６０は所望によりカラムの周部の種々の位置に配置され、カラムの種々 の部分において種々の液体流速を確立する液体入口および出口とされる。これに より、第１図を参照して記述した差動分離効果が原波の進行速度を変化せずに得 ることができる。

所望により、円筒形状を使用することもでき、これによって連続して移動する原 波列を生成することができ、これは連続的にかつ均一にスクリーンを変位させる ことによって可能である。

装置に第２図、第３図および第７図に例示したようなシャドウスクリーンを用い た場合、スクリーンおよび操作チャンバ壁を組み合わせることができ、音響エネ ルギーが伝搬する対向壁が伝搬および反射材料、例えば前者の場合ポリメチルメ タクリレートまたはポリスチレンおよび後者の場合タングステンまたはアルミニ ウムから製作されたストリップの一方により形成される。各ポートは反射ストリ ップに設けることができ、カラム軸の長さ方向の少なくとも一部分にわたって延 ばすことができる。他の場合、操作カラム内にシャドウスクリーンを配置するこ とが好ましい。カラムの側壁に振動スクリーンを設けると、スクリーンの動作に より粒子が側壁に接触するのを防止する作用を補助することができ、壁の外側に ある場合よりも鋭利なシャドウを生起せしめることができる。

前記の２つの対向した変換器を用いた実施例において、これらの変換器は伝搬エ ネルギー強度により実質的に音響ストリーミングを回避するため限定領域に対し 十分精確に整合させた定在波を形成せしめるようにしたものであるが、既述した ように、各粒子が定在波の軸に沿って作用する音響力によって操作されさえしな ければ可成りの音響ストリーミングを許容できる。このように、操作空間が極端 に広くなくかつ高効率反射面が対向側部の近くに配置されるならば、超音波変換 器により該空間の片側でのみ作動させることができる。

第８図はカラム７０の縦断面図であり、該カラム７０はその全長にわたり延びて いるセラミック変換器７４と平行にある程度の距離を離間せしめた液浴槽７２内 に配置される。この浴槽液は変換器・カラム間を音響結合している。カラムは変 換器の作動周波数で超音波に対し透過性を有する一方の側壁７６と高効率反射器 である対向側壁７８とを有する。好ましくは、側壁７８は光透過性をも有するよ うにしてカラム内部を観察可能とする。この側壁７８は、例えば超音波を反射す る厚さを有するガラスプレートから成り、それにもう１つのガラスプレート８４ を取り付けて空間８２を形成する。なお、反射器が不透明性であれば、側壁７Ｇ およびスクリーン８６は光透過性のものとしてもよい。

カラム７０の直ぐ前方に配置されたシャドウスクリーン８６は（図示しない）手 段によって既に記載したように設けることができる。

変換器からの伝搬波はプレート８０により反射され、このようにして入射および 反射波間の不可避的な不平衡から生じるある程度の音響ストリーミングのみを伴 って該変換器からの入射伝搬波との相互作用により定在波を形成する。

上記装置の機械的構造は、例えば既述したように円筒状形状に変形し得ることが 理解される。

又、並列に配置した変換器アレイを制御することにより原波を電子工学的に発生 させかつ変位させることができる。例えば、単一の超音波変換器を互いに電気的 に絶縁された一連の領域に各別の振動を生起させることができる。第９図は矩形 状のセラミック変換器９０の表面を示す。該変換器の裏面に連続導電性コーティ ングが設けられる一方、その表面は互いに電気的に絶縁したストリップ９２に分 割されている。変換器全体は均一の厚さを有し、このようにして一定の共振周波 数を有する、即ち各ストリップ９２の共振周波数が同一とされる。

このような２つの変換器モザイクを平行に配置するとともに各対向ストリップを 励振させると、これらの変換器間に２つのビームの干渉により定在波が生じる。

これらのビームは僅かな発散性を呈し、各ストリップの幅は超音波ビームの拡散 縁部が隣接スト・リップと幾らか重複する大きさよりも狭いものとしなければな らない。拡散角度はストリップの機械的構造、超音波周波数および当該変換器表 面と作用体積間の距離に依存する。

各個別ストリップは分離された電気スイッチ接続部９４を有し、これによって、 選択された１組のストリップが一緒に作動せしめられ、この作動領域は適当な電 気スイッチ手段（図示しない）を介して逐次的にストリップを作動させるかまた は停止させる作用により当該アレイに沿って変位させることができる。このよう なシーケンスに従って作用空間のいずれか一方の側部のアレイが作動すると、該 カラムに沿って有効に移動する定在波が発生される。

これは第９図を参照して番号１〜９を付した一連のストリップ９２により例示さ れる。対応する変換器モザイクを図示したモザイクと直接対向させ得ることが示 唆される。２つのモザイクにおける６対の対向ストリップは同時に切り替え制御 され、以下に簡略化して１つのシリーズのみの操作を記述する。

まず、ストリップ３および４が操作され、これらのストリップによって発生され たビームが拡散するとそれらのストリップ間に直接介在する体積部に隣接する空 間にエネルギー勾配を生じ、すなわちこれらの勾配が対向ストリップ２および５ 間部まで拡がっている。

ストリップ３の作動を停止すると、このストリップおよびその対向素子間の体積 部において定在波に保持された粒子はもはや高いエネルギー場ではなく、ストリ ップ４によって生じたビームの周辺部と関連するエネルギー勾配下に付される。

したがってこの音響エネルギーの影響を受けた粒子は最大エネルギー密度領域、 すなわちストリップ４によって発生された領域の中間部に向けてそのエネルギー 勾配を高める。次にストリップ５が作動せしめられ、次いでストリップ４が作動 停止され、よってエネルギー勾配が再び転置される。この操作が連続したストリ ップに沿って続行され、作用体積を介して粒子を進行させる。

前記実施例において示された変換器は作用体積部からある距離をもって離間され ており、該作用体積部は変換器からのエネルギー伝搬の遠視野にあると推定され る。しかしながら、放射面に近接した空間における任意の点でこの表面からの放 射がプレスネル回折パターンに基づき大きな位相差を有するという現象を利用す ることもできる。これは近視野において高および低音響エネルギー密度を変域か ら成る複合パターンを生起させる。放射源からの距離を増大すると、該パターン はもはや生じなくなり、遠視野においてフラウンホヘル回折パターンが確立され 、音響場が均質とされ、ビームの拡散および減衰に応じてゆっくりと低下する。

本発明の装置を操作するには産量において音響エネルギー密度勾配を必要とする ので、第１変換器と近接しかつ対面配置された第２変換器からのエネルギー分布 を７レスネル近視野におけるエネルギー分布とマツチングさせることによって定 在波が発生する。この定在波には音響エネルギー勾配があり、これらの勾配に対 し粒子が作用すると、優勢な７レスネル回折領域によってこれらの平面における エネルギー強度が幅広く変化しているにもかかわらず、当該場の部平面と見做さ れる平面領域に粒子を集合せしめる。同様にして、１つの変換器を形成するフレ スネル場は当該変換器に反射せしめて同様の音響エネルギー密度勾配を生起させ ることができる。このような適正なエネルギー密度勾配を含む近視野系には、例 えば第６図に示す円筒形状のものを用いることができる。

近視野における横方向への鋭い音響強度変化を用いれば反射によって定在波を生 成することができる。反射器は変換器の放射面に平行にかつその近視野に配置し 、このようにして−次放射波の高強度領域が反射放射波の他の高強度領域と一致 せしめられ、同様にして低強度領域と一致せしめられる。

定在波の部平面のいずれかの側で粒子に作用する力は必然的に大きさが対称性を 有し、その方向は逆とされる。一方、部平面における定在波のエネルギー密度が 漸増するのであれば、原波は非対称のエネルギー密度勾配を有し、本発明の操作 において利用することができる。

第１０図の上部にエネルギー密度最大点の両側部でＺ方向における音響エネルギ ー密度が対称的な分布を示す。該第１０図の下部にエネルギー密度分布勾配の大 きさおよび方向を示し、これらのエネルギー密度勾配は粒子における正味の音響 力値である。

勾配グラフの左側部のスケールは高エネルギー帯域および液体が相対運動を行わ ない場合における粒子への力の大きさおよび方向を示す。右側部のスケールは左 から右への一定速度の液体の流動に基づくストークス力が音響力に付加される場 合における粒子への正味の力を示す。後者の場合、粒子はＺ軸に沿って位置Ｚ１ に残留することになる。その大きさを変えることなく液体の流動方向を逆にする と、粒子は位置ｚ２に移動するようになる。

第１Ｏ図とは対照的に、第１１図はエネルギー密度最大点付近でのＺ方向におけ る非対称エネルギー密度分布の一例を示し、勾配の大きさ、方向および粒子への 音響力を示す。

高音響エネルギー区域および液体が相対運動を行わない場合１粒子はエネルギー 密度が最大であるＺ軸上の位置２に移動する。液体が右側へ相対運動することに より音響力に正のストークス力が付加されると、粒子は作用する正味の力がちょ うど０となる位置ｚ、に移動する。第１１図から明らかなように、大きさを変え ることなく逆の相対運動を行わせると、粒子は原波から解放されて、左側に移動 しかつ高エネルギー密度領域から脱出する。したがって、定在波および液体が互 いに逆方向に等しい周期運動を行う場合であっても、一方向に粒子を移動させる 意義がある。

このように、第３図および第４図に関して記述したようなラチェット方式で原波 を用いて粒子を移動させるには、対称的エネルギー勾配および非対称的運動また は非対称的エネルギー勾配および対称的運動、例えば正弦波、のいずれかまたは 両者を組み合わせて用いることにより実行できる。

第１２図および第１３図は前端部および後端部の鋭さが同等でないシャドウスク リーンによって生成される非対称勾配の使用例を示す。使用周波数で超音波に対 し透過性を呈する側壁１０４を有するカラム１０２の一部分を示す。音響シャド ウスクリーン１０６はカラム１０２の軸と斜交するように設けられた対向壁１０ ８アレイから成り、６壁１０８の内縁部１１０およびその真上の壁の外縁部１１ ２間に一連の有効スロットを得ることができる。内端部１１０はカラム１０２Ｉ こ近接している。外縁部から突出している短いフランジ１１４は６壁の長さ部分 からカラム内への反射音を遮蔽する。各ストリップ状セラミック変換器１１６は カラムと平行に過当な間ト、′をもって配置されるとともに共通信号源によって 作動せしめられると、スクリーンの各スロットを介して定在波を生成し、当該カ ラム内に非対称エネルギー密度勾配を有する一連の部平面を発生せしめる。

スクリーンを上方に移動することによって、粒子は原波を介して移動するが、し かしスクリーンを下方に移動すると、粒子は移動しない。スクリーンの各スロッ ト間の距離と等しいかまたはより大きい振幅をもって平均位置付近でスクリーン が対称的に振動する場合、粒子は上方に進行する。他方、カラムが同一振幅を介 して対称的に振動する場合、スクリーンは固定したままである。

他の実施例として、第１４図は反射により近視野に設置された定在波を用いる本 発明の装置を示す。

支持体１２２に水装填容器１２０を装着して示す。該容器の一側部に直径２５ｍ ｍの変換器タイプＰＣ５（ユニレイター・リミテッド、レグザム・クリュード、 ウェールズ）用のデュラル（ＤｕｒａｌＸブリティッシュ・スタンダード　ＨＥ ｌ　！）ＨＦ）製ハウジング１２４が挿入され、該変換器はデュラルハウジング に一体的に形成された直径１７ｍｍのプロ／り１２８と音響結合されている。変 換器１２６の動作周波数は２−１２−１Ｏ０である。ブロックは厚さ９．０９＋ ＋＋ｍを有し、合金製の場合音速が６４００ｍ／ｓとされる。これは２分の１波 長の５．９７に相当し、すなわち、２分の１波長の整数倍に非常に近似し、実質 的に最大透過性を呈する。一方、距離は短いが、ブロックが確実に（フレスネル 回折がエネルギーの空間分布を決定する）近視野の軸の長さの半分を占有するに 十分な長さである。変換器と水との音響カップリング部材は水性カプラント（ウ ルトラゲル、ダイアブナステインク・ソナー・リミテッド製、ヒユーストン、ス コツトランド）が用いられる。

容器の対向側部内にデュラル（Ｄｕｒａｌ）ロッド１３２が突出しＣおり、該デ ュラルロソド表面に直径１７ｍｍ３よび厚さ１．００＋ｕ＋のタンクステンプレ ート１３４が装着されている。該タングステンプレート面はカップリングブロッ クから４．９４７ｍｍ離間しているとともに該プレートおよびブロックの対向両 面は平行かつ同軸状とされる。容器内の水の音速が２０℃で１４８４＋ｎ／ｓで あるとすると、ブロックおよびプレート間のギャップに変換器周波数での２分の １波長が１４含まれ、定在波率１．０を有する定在波を発生する。

容器の上方のマウント部材１４０に、ブロックおよびプレートと対面する３ミク ロンのマイラーポリエステルフィルムから成る音響窓を有する矩形チャンバ１４ ２が懸吊される。チャンバに連続流入用入口および出口（図示しない）が設けら れ、記載の実施例においては、該口部は水に６ミクロンのポリエステルミクロス フェア１重量％を懸濁した懸濁液を当該チャンバ内に装入した後、閉鎖される。

このマウント部材１４０は各ローラー１４６間を走行するガイド１４４から成り 、ブロックおよびプレートと平行に容器内へおよび外へチャンバを直線移動させ ることができる。

変換器が作動させられると、チャンバはローラー上で変位せしめられてブロック およびプレート間の共鳴キャビティを通過する。図面の平面と平行な容器および チャンバの壁を透過性のものとすれば、遠隔顕微鏡を介してチャンバの内容物を 観察することができ、チャンバが運動するものにも拘わらずチャンバ内の粒子が 音響場に対応した位置に保持されることが観察された。次いで、チャンバを速度 ｌ　ａｍ／　ｓで容器から垂直に引き出すと、粒子は担体液体のストークス力に 抗して該場所に固定して残留し、このようにして懸濁液から分離してチャンバの 底部に濃厚沈澱物として収集される。

勾配 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の７第１項）昭和６３年１月２７日 ″″報龍　１ １、特許出願の表示 ＰＣＴ／ＧＢ８７１００３６３ ２、発明の名称 粒状物質操作 ３、特許出願人 住所　オランダ国ロッテルダム、プルゲメースター・名称　ユニリーバ・ナーム ローズ・ペンノットジャツブ４、代理人 住所　〒５４０　大阪府大阪市東区域見２丁目１番６１号」 ５、補正古の提出年月日：　１９８７年１１月２０日６、添付書類の目録 （１）　補正書の翻訳文　／≦；二≧＼１　通訂正請求の範囲 １、流体中に超音波定在波を確立し、該定在波は流体内の１つまたは複数の部平 面において種々のエネルギー密度を有するとともにその定在波特性を１つまたは 複数の部平面で少なくとも粒子の一部分を集合させるように選定し、そのように 集合せしめた粒子を１つまたは複数の節平面方向において制御することにより１ つまたは複数の節平面方向における定在波と流体媒質間の相対変位に抗してエネ ルギー密度を変化する定在波に固着せしめた粒子を保持するか又は少なくとも１ つまたは複数の節平面方向に作用する成分を有する流体粘性力および／または場 の力を介して上記エネルギー密度変化に応じて上記粒子を１つまたは複数の部平 面に変位せしめる、流体媒質中の粒子操作方法。

２、定在波が１つまたは複数の部平面と平行な横断方向に種々のエネルギー強度 を有し、粒子に各横断方向に個別に影響せしめる請求の範囲第１項記載の方法。

３．１つまたは複数の部平面が曲面である請求の範囲第１項または第２項記載の 方法。

４、音Ｗビームの縁部での強度変化を用いる請求の範囲第１項〜第３項のいずれ かに記載の方法。

５、種々の音響強度が空間的繰り返しパターンをもって生成される請求の範囲第 １項〜第４項のいずれかに記載の方法。

６、流体媒質が定在波を生成する放射源の近視野内にある請求の範囲第１項〜第 ５項のいずれかに記載の方法。

７、定在波および流体媒質間に１つまたは複数の部平面と平行に僅かな往復運動 を生起せしめ、該往復運動の対向両方向における速度および／または音響勾配を 相違せしめて粒子運動制御に有効な指向性効果を生起せしめる請求の範囲第１項 〜第６項のいずれかに記載の方法。

８、粒子を懸濁せしめた流体を収容するチャンバ、該チャンバ内で超音波定在波 を発生する手段および該チャンバ体積の少なくとも一部分で上記定在波に１つま たは複数の部平面における不均一エネルギー強度を付与する手段から成り、 上記種々のエネルギー密度の作用により１つまたは複数の部平面と平行な方向に おいて上記粒体の少なくとも一部分を制御して該１つまたは複数の部平面方向に 流体媒質の相対変位に抗して各種のエネルギー密度定在波に固着した粒子を保持 させるが又は少なくとも１つまたは複数の部平面の方向において粒子に作用する 成分を有する流体粘性力および／または場のカを介して上記エネルギー密度変化 に応じて上記粒子を変位せしめる、流体媒質中の粒子操作装置。

９、チャンバが１つまたは複数の部平面に平行な対向壁を有する請求の範囲第８ 項記載の装置。

１０、チャンバがコイルまたは回転体形態を有し、１つまたは複数の部平面が上 記チャンバの曲率をもってほぼ同軸状に湾曲している請求の範囲第８項または第 ９項記載の装置。

１１、定在波発生手段および粒子含有流体間にスクリーニング手段を設けて不均 一エネルギー密度を付与する請求の範囲第８項〜第１０項のいずれかに記載の装 置。

１２、スクリーニング手段が超音波透過又は非透過素子から成る請求の範囲第１ １項記載の装置。

１３、スクリーニング手段が少なくとも１つのエネルギー伝搬偏向素子から成る 請求の範囲第１１項記載の装置。

１４、少なくとも１つの偏向素子が流体媒質に音響発生手段を結合せしめたカッ プリング部材に一体的に形成される請求の範囲第１３項記載の装置。

１５、スクリーニング手段がチャンバの少なくとも１つの境界を形成する請求の 範囲第１１項〜第１４項のいずれかに記載の装置。

１６、音響変換器アレイおよびこれらの音響変換器アレイに作動エネルギーを印 加して１つまたは複数の部平面に時間依存性の分布をもって種々のエネルギー強 度を有する定在波を連続的に発生する手段を有し、１つまたは複数の部平面の方 向における少なくとも１つの強度ピークを変位せしめる請求の範囲第８項〜第１ ０項のいずれかに記載の装置。

国際調査報告 １Ｍ１ｊ、ｆｉｊｌ１６Ａｌｌ　ＡＩｅｌｌ＋１１．６Ｍ　ｔｔ。　ＰＣＴ／Ｇ Ｂ　８７１００３６３；、ＮＮＥＸ、Ｔｏ　、ｄＥ　ＩＮＴＥＦＬ’１ＡＴＩＯ Ｎ＋”、Ｌ　５ＺＡＲＣＨＲＥ：’ＯＲＴ　＋ｊＮ

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．流体中に超音波定在波を確立し、該定在波は流体内の１つまたは複数の節平 面において種々のエネルギー密度を有するとともにその定在波特性を１つまたは 複数の節平面で少なくとも粒子の一部分を集合させるように選定し、少なくとも １つまたは複数の節平面方向に作用する成分を有する流体粘性力および／または 場の力を介して１つまたは複数の節平面に沿った粒子の運動を制御する、流体媒 質中の粒子操作方法。
2. ２．定在波が１つまたは複数の節平面と平行な横断方向に種々のエネルギー強度 を有し、粒子に各横断方向に個別に影響せしめる請求の範囲第１項記載の方法。
3. ３．１つまたけ複数の節平面が曲面である請求の範囲第１項または第２項記載の 方法。
4. ４．音響ビームの縁部での強度変化を用いる請求の範囲第１項〜第３項のいずれ かに記載の方法。
5. ５．種々の音響強度が空間的綴り返しパターンをもって生成される請求の範囲第 １項〜第４項のいずれかに記載の方法。
6. ６．流体媒質が定在波を生成する放射源の近視野内にある請求の範囲第１項〜第 ５項のいずれかに記載の方法。
7. ７．定在波および流体媒質間に１つまたは複数の節平面と平行に僅かな往復運動 を生起せしめ、該往復運動の対向両方向における速度および／または音響勾配を 相違せしめて粒子運動制御に有効な指向性効果を生起せしめる請求の範囲第１項 〜第６項のいずれかに記載の方法。
8. ８．粒子を懸濁せしめた流体を収容するチャンバ、該チャンバ内で超音波定在波 を発生する手段および該チャンバ体積の少なくとも一部分で上記定在波に１つま たは複数の節平面における不均一エネルギー強度を付与する手段から成り、 該少なくとも１つまたは複数の節平面の方向において粒子に作用する成分を有す る流体粘性力および／または場の力と協働させて上記種々のエネルギー密度の作 用により１つまたは複数の節平面と平行な方向において上記粒体の少なくとも一 部分を制御する、流体媒質中の粒子操作装置。
9. ９．チャンバが１つまたは複数の節平面に平行な対向壁を有する請９ 求の範囲第８項記載の装置。
10. １０．チャンバがコイルまたは回転体形態を有し、１つまたは複数の節平面が上 記チャンバの曲率をもってほぼ同軸状に湾曲している請求の範囲第８項または第 ９項記載の装置。
11. １１．定在波発生手段および粒子含有流体間にスクリーニング手段を設けて不均 一エネルギー密度を付与する請求の範囲第８項〜第１０項のいずれかに記載の装 置。
12. １２．スクリーニング手段が超音波透過又は非透過素子から成る請求の範囲第１ １項記載の装置。
13. １３．スクリーニング手段が少なくとも１つのエネルギー伝搬偏向素子から成る 請求の範囲第１１項記載の装置。
14. １４．少なくとも１つの偏向素子が流体媒質に音響発生手段を結合せしめたカッ プリング部材に一体的に形成される請求の範囲第１３項記載の装置。
15. １５．スクリーニング手段がチャンバの少なくとも１つの境界を形成する請求の 範囲第１１項〜第１４項のいずれかに記載の装置。
16. １６．音響変換器アレイおよびこれらの音響変換器アレイに作動エネルギーを印 加して１つまたは複数の節平面に時間依存性の分布をもって種々のエネルギー強 度を有する定在波を連続的に発生する手段を有し、１つまたは複数の節平面の方 向における少なくとも１つの強度ピークを変位せしめる請求の範囲第８項〜第１ ０項のいずれかに記載の装置。