JP2913031B1 - 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および装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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）。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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。