(57)【要約】【課題】超音波を用いた非接触フィルタリング方法及び装置を提供する。【解決手段】液体媒質で満たされている流路中に、流路に沿って超音波振動子と反射板を平行に設置し、超音波振動子を所定の電気信号で駆動し、放射される超音波が反射板で反射し、流路中に生成される定在波音場の音圧の節もしくは音圧の腹に液体媒質中に分散する微小物体を捕捉することを特徴とする、超音波非接触フィルタリング方法、及びその装置。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体媒質で満たされている流路中に、流路に沿って超音波振動子と反射板を平行に設置し、超音波振動子を所定の電気信号で駆動し、放射される超音波が反射板で反射し、流路中に生成される定在波音場の音圧の節もしくは音圧の腹に液体媒質中に分散する微小物体を捕捉することを特徴とする、超音波非接触フィルタリング方法。
【請求項２】
上記超音波振動子に加える電気信号を変化させることにより振動子から放射される音波の波長を制御し、捕捉した微小物体の軌跡を変化させることを特徴とする、請求項１に記載の超音波非接触フィルタリング方法。
【請求項３】
上記超音波振動子を細長い長方形とすることにより、共鳴を考慮せずに定在波を生成し、周波数変化を可能とすることを特徴とする、請求項１に記載の超音波非接触フィルタリング方法。
【請求項４】
上記超音波振動子に加える周波数を高速で変化させることにより連続して捕捉物体の軌跡を変化させ、流路中の少なくとも一点を通過させることにより濃縮することを特徴とする、請求項１に記載の超音波非接触フィルタリング方法。
【請求項５】
超音波の周波数を連続的に変化させた後、瞬時に初期値に戻す操作を繰り返し行うことにより微小物体を濃縮することを特徴とする、請求項４に記載の超音波非接触フィルタリング方法。
【請求項６】
液体媒質の流路の壁面に配置された超音波振動子と反射板、上記超音波振動子に所定の電気信号を供給する手段、超音波の周波数を連続的に制御する手段、所定の位置に移動させた上記媒質中の微小物体を濃縮液として取り出す手段を構成要素として含むことを特徴とする超音波非接触フィルタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流路中を流れる液体媒質中における微小物体の軌跡を制御し、流路中の任意の部位を通過させることにより微小物体を連続的に濃縮することを可能とする、超音波を用いた非接触フィルタリング方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、工場排水、家庭排水等では、固形分が多く含まれている。これは、環境を汚染する原因物質となるものであり、可能な限り取り除かなければならない。しかし、この固形分は、大きな固まりであれば、網状のフィルタを用いて容易に濾過できるが、微小な微粒子の場合は、これを濾過し、液体媒質のみを排出することは困難である。もちろん、細かい網目のフィルタを用いてより細かい微小物体を除去することも可能であるが、目詰まりなどの問題があり、メンテナンスが大変である。また、フィルタにより除去できる大きさには限界がある。
【０００３】
また、上記排水に薬剤等を投入して固形分を凝集・凝固させ、除去することも行われているが、更に新たな薬剤を排水と共に放出することになり、環境への影響を考えると好ましくない。また、有害な化学物質等を含む排水の放出は禁じられており、工場では浄化槽を設置して、微生物等を用いて分解し、無害化して排出している。しかし、その際に有用な微生物も排出されている。
【０００４】
網状フィルタや薬剤等による従来のフィルタリングに対して、超音波を用いるものは、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、音波を反射又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、半波長のオーダの微小間隔で力を作用させることが可能である。また、超音波の発生装置の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。
【０００５】
定在波音場中で波長に比べて十分に小さな物体（以下、微小物体と表記する）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、振動子面積相当の比較的広い領域に力の作用範囲は分布し、微小物体は媒質の流れる方向に自由に移動することが可能である。
【０００６】
更に詳しく説明すると、図１に示すように、水中において、超音波振動子と反射板を平行に設置し、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２（ａ）に示すように、４分の１波長間隔で音圧の腹と節が交互に存在し、音場中を浮遊する微小物体は、音圧の腹から節に向かう力を受け、半波長間隔に存在する音圧の節に捕捉される。定在波音場は、振動子と反射板を平行に設置することで容易に生成できる。
【０００７】
微小物体を非接触で操作する技術が、例えば、マイクロマシンやバイオテクノロジー等の分野で求められている。非接触で力を作用させるには、静電力やレーザ光の放射圧を用いた研究が数多く行われているが、超音波の音響放電圧を用いることも可能である。微小領域では、微細な埃などによる汚染を避けるため、液体中であれば密閉された容器中で行う必要がある。超音波は伝搬する媒質があれば離れたところから力を作用させることができるため、密閉された容器中に外部から超音波を照射して非接触で力を作用させることができると考えられる。
【０００８】
本発明者は、これまで、水中を浮遊する個々の粒子を操作することを目的として、超音波の音響放射圧を用いた非接触３次元マイクロマニピュレーションの実現に取り組んできたが、セラミックスの原料微粉体の精製等にも、クリーンな非接触マイクロマニピュレーション技術が求められている。その場合はパイプライン中を多量に流れる粒子群を、連続して操作することが必要である。本発明者は、流体中を流れる微粒子の濃縮及びフィルタリングを目的として、複数の電極を持つ矩形振動子を試作し、電極間に加える電圧の位相を変化させることで、粒子の流れる方向を制御することを試みたが、移動速度が音場の移動に追随しない等の問題があった。これは、平面波による定住波音場において、音波の伝搬方向に対して、垂直な方向に作用する力が弱いためと考えられる。強力な力を作用させるには、音波の伝搬方向において、音圧の腹から節に向かって作用する力を利用すべきである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、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個々の微小物体を、音軸上で一次元的に移動させる方法を研究する中で、周波数を連続的に変化させることにより、音波の伝搬方向への粒子の移動を行い、粒子の流れる方向を制御することを試みた結果、流体中を媒質と共に流れる粒子の操作に発展させることに成功し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明が解決しようとする課題は、音圧の節に捕捉され、層状に整列した微小物体を一次元的に移動操作を行いこれらを濃縮するための非接触フィルタリング方法及び装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）液体媒質で満たされている流路中に、流路に沿って超音波振動子と反射板を平行に設置し、超音波振動子を所定の電気信号で駆動し、放射される超音波が反射板で反射し、流路中に生成される定在波音場の音圧の節もしくは音圧の腹に液体媒質中に分散する微小物体を捕捉することを特徴とする、超音波非接触フィルタリング方法。
（２）上記超音波振動子に加える電気信号を変化させることにより振動子から放射される音波の波長を制御し、捕捉した微小物体の軌跡を変化させることを特徴とする、前記（１）に記載の超音波非接触フィルタリング方法。
（３）上記超音波振動子を細長い長方形とすることにより、共鳴を考慮せずに定在波を生成し、周波数変化を可能とすることを特徴とする、戦記（１）に記載の超音波非接触フィルタリング方法。
（４）上記超音波振動子に加える周波数を高速で変化させることにより連続して捕捉物体の軌跡を変化させ、流路中の少なくとも一点を通過させることにより濃縮することを特徴とする、前記（１）に記載の超音波非接触フィルタリング方法。
（５）超音波の周波数を連続的に変化させた後、瞬時に初期値に戻す操作を繰り返し行うことにより微小物体を濃縮することを特徴とする、前記（４）に記載の超音波非接触フィルタリング方法。
（６）液体媒質の流路の壁面に配置された超音波振動子と反射板、上記超音波振動子に所定の電気信号を供給する手段、超音波の周波数を連続的に制御する手段、所定の位置に移動させた上記媒質中の微小物体を濃縮液として取り出す手段を構成要素として含むことを特徴とする超音波非接触フィルタリング装置。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明による非接触フィルタリング方法は、微小物体が分散して流れる液体媒質中に流路に沿って超音波振動子と反射板を所定の距離を保って平行に配置し、超音波振動子を所定の電気信号で駆動し、放射される超音波を反射板で反射させることにより、生成される定在波音場中で、上記媒質中の微小物体を、上記音場中の音圧の節に捕捉し、一次元的に移動操作を行いこれらを濃縮することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による非接触フィルタリング装置は、微小物体が分散する液体媒質の流路の壁面に所定の間隔を保って、配置された超音波振動子と反射板、上記複数の振動子へ電気信号を供給する手段、超音波の周波数を連続的に制御する手段、及び所定の位置に移動させた上記媒質中の微小物体を濃縮液として取り出す手段、とから成り、放射される超音波を用いて生成される定在波音場中の音圧の節に上記媒質中の微小物体を捕捉し、濃縮するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
以下、本発明を図面を用いて説明する。
図３は、本発明による超音波を用いた非接触フィルタリング方法の原理及び基本装置を示す説明図である。多数の微小物体が分散、浮遊する液体媒質が上から下に流れる流路中の壁面に、超音波振動子と反射板を所定の間隔を保って平行に配置する。上記超音波振動子に所定の電気信号を供給すると、振動子は超音波を放射し、反射板との間に定在波の音場が形成される。超音波振動子としては、平板矩形超音波振動子が用いる。
【００１４】
本発明では、後記する実施例に示したように、ファンクションジェネレータにより周波数約２．０ＭＨｚ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中に平均径１６μｍのアルミナ粒子の懸濁液をピペットを用いて上方から注入したところ、音圧の節の層に沿ってアルミナ粒子が流れ落ちる様子が確認された。なお、音圧の節は振動子と反射板の間に半波長の間隔で生成される。
【００１５】
水中での音速を１５００ｍ／ｓとすると、２．０ＭＨｚの場合の半波長は０．３７５ｍｍであるので、この層の間隔は半波長に相当し、音圧の節に捕捉されて流れ落ちているといえる。音圧の節の各層の下方に粒子の取り出し口を用意しておけば、高密度の粒子懸濁液を採取することが可能となる。しかし、各層毎に取り出し口を用意するのは大変である。ところで、振動子へ供給する電気信号の周波数を変化させることにより、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。周波数を変化させると波長が変わり、音圧の節の間隔も変わるために捕捉した粒子を動かすことができる。
【００１６】
そこで、後記する実施例に示したように、次に、超音波の周波数を１．９ＭＨｚから２．１ＭＨｚまで連続して変化させ、その後、瞬時に初期値である１．９ＭＨｚに戻すことを繰り返し行い、音場を生成した。図５はこの音場中にアルミナ粒子を左上から投入した際の、粒子の挙動を撮影した写真である。左上から右下に流れている様子が確認される。粒子は比重が４であるので、何も力が作用しない状況では、自重で真下に沈降する。しかし、超音波による定在波が存在するため音圧の節に捕捉され、層状に凝集する。そして、更に、周波数が変化することにより、音圧の節の間隔が変化し、中心部の音圧の節が左から右へと移動し、捕捉された粒子も沈降しながら右へと移動する。
【００１７】
周波数変化時の計算による音圧の節の移動を図６に示す。１．９ＭＨｚに比べ、２．１ＭＨｚでは波長が短いために音圧の節が３個多い。そして、１．９ＭＨｚから２．１ＭＨｚ間で連続的に周波数を変化させた後、２．１ＭＨｚから瞬時に１．９ＭＨｚに戻す操作を１回行うことで、音圧の節は３個分反射板の方へ移動する。この操作を高速で繰り返し行うことで、すべての粒子を反射板近傍に集めることができ、反射板近傍に取り出し口を設けておけば、高濃度の懸濁液を採取することが可能である。すなわち、懸濁液の濃縮が実現できる。なお、周波数を逆に２．１ＭＨｚから１．９ＭＨｚに連続して減少させ、瞬時に２．１ＭＨｚに戻す操作を行うと、これまで示したことと逆に振動子側へ粒子を集めることができる。
【００１８】
本発明において、上記微小物体は、定在波音波中で波長に比べて十分に小さな物体であれば、物体の種類に限定されることなく適用可能である。また、本発明において、超音波振動子及び反射板の種類、形態及び設置方法、振動子の電気信号を供給する手段、超音波の周波数を連続的に制御する手段、及び上記媒質中の微小物体を濃縮液として取り出す手段は、特に限定されるものではなく、それらの具体的構成は、それらの使用目的に応じて適宜設計することができる。また、上記方法における諸条件についても、特に制限されるものではなく、それらの使用目的に応じて任意に変更することができる。
【００１９】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
本実施例では、微粒子の懸濁液を音場中に投入し、超音波の音響放射圧を用いて粒子を濃縮することを試みた。流路に沿った長い距離中に均一な音場を生成するために、長方形の振動子を用いた。そして、超音波を放射し、反射板との間に定在波を生成し、周波数を変化させることにより、捕捉した粒子を音軸上で移動させ、音場を通過する粒子を片側に引き寄せることを試みた。
【００２０】
（１）装置及び操作方法
振動子はセラミックス製で、４０×２２ｍｍの矩形、共振周波数２．０ＭＨｚ、裏面電極４０×６ｍｍである。また、媒質の水と接する表面電極は一部を裏面に折り返して、裏面から両電極のリード線を引き出した。なお、裏面電極の絶縁と振動子の固定のために、アクリル製の枠に振動子をシリコンゴムで固定した。ファンクションジェネレータ（ＮＦ回路設計ブロック製、１９４６、以下ＦＧと略す）で発生した約２ＭＨｚの正弦波信号をアンプ（ＥＮＩ製、３２５ＬＡ）で増幅し、振動子に印加する。水を満たしたガラス水槽中で振動子をガラスの壁面（厚さ３ｍｍ）と１０ｍｍの間隔で平行に固定し、壁面との間に定在波音場を生成する。そして、上方からアルミナ粒子（平均径１６μｍ、比重４）を懸濁液として投入し、自重で下方に流れ落ちる際の挙動をＣＣＤカメラで撮影し、観察した。なお、奥行き方向にも粒子が分布するため、照明として約５ｍｍ幅のシート状のスリット光を用いて、振動子の裏面電極を塗布した部分の鉛直面のみを観察するようにした。また、粒子の挙動を観察するために、ＣＣＤカメラのシャッターは１／１０００ｓとした。
【００２１】
（２）フィルタリング方法及び結果
振動子に電圧を印加して音場を生成し、上方からアルミナ粒子を投入すると、層状に流れ落ちる様子が観察された。図４は、周波数２．０ＭＨｚ時の粒子の挙動を撮影した写真である。音波の半波長（０．３７５ｍｍ）相当の、等間隔の層状になって流れ落ちる様子が、確認される。アルミナ粒子の比重は約４であるため、大きな粒子は投入直後に沈降するが、小さい粒子はしばらく水中を浮遊し、やがて沈んでいく。その小さい粒子が音圧の節に捕捉されていると考えられる。理想的な平面波による定在波であれば、均一な音場が生成され、重力の方向には力が生じない。しかし、本実施例では有限寸法の平板音源による定在波であるために、音圧の節の層内に不均一が生じ、このように重力の方向にも力が作用し、粒子が捕捉されたと考えられる。なお、振動子と反射板との距離が１０ｍｍであり、近距離音場中で定在波が生成されていると考えられる。
【００２２】
次に、流れる粒子を制御するために、ＦＧをスイープモードで制御して音源に加える周波数を変化させることを試みた。振動子は共振周波数で駆動することが望ましいので、共振周波数付近で１割程度の変化をさせることとし、１．９〜２．１ＭＨｚの間で変化させた。また、直線的に周波数を連続して変化させた後、初期の周波数に戻し、再度連続して変化させた。こうすることで、一部不連続となるが、連続して周波数を同一方向に変化させ続けることが可能となる。粒子移動の模式図を図７に示す。周波数をｆ＝ｆｍｉｎ　→ｆｍｉｎ　＋Δｆ→ｆｍａｘ　に連続して変化させることで、音圧の節の間隔が徐々に狭くなり、同時に捕捉されている粒子も（ａ）→（ｂ）→（ｃ）と移動する。そして、ｆ＝ｆｍａｘ　となった後、瞬時にｆ＝ｆｍｉｎ　に戻すと、音圧の節に捕捉されていた粒子は（ｃ）→（ｄ）のように最寄りの音圧の節に移動することになる。同一周波数である（ａ）と（ｄ）を比較すると明らかなように、この一連の操作で粒子は右の音圧の節に移動していることが分かる。
【００２３】
本実施例で行った周波数変化のタイミングは、周波数ｆを１．９ＭＨｚから２．１ＭＨｚまで直線的に増加させた後、瞬時に１．９ＭＨｚに戻す操作を５０ｍｓ間隔で繰り返し行った。図５は実験結果の一例を示す写真である。左上のピペットから懸濁液は投入されている。粒子は自重で下方に流れ落ちるのと同時に左から右に移動している様子が分かる。また、この時の周波数は１．９〜２．１ＭＨｚの内の幾つであるのかは不明であるが、半波長間隔相当の等間隔の縞状となっているため、音圧の節に捕捉されていることが確認される。最終的には、右端の２〜３本の音圧の節の層に粒子が集まることが実験で確認された。また、逆に周波数を２．１→１．９ＭＨｚへと減少させた結果、波長が短くなることにより、右から左に移動している様子が確認された。すなわち、周波数を増加させることで粒子を右に寄せること、及び周波数を減少させることで粒子を左に寄せることができ、懸濁液の濃縮が可能となった。
【００２４】
なお、周波数を連続して高速に変化させることは、ＦＧのスイープモードを用いて実現した。これはデジタル回路で構成されるＦＧであるので、厳密には周波数は２００μｓ毎に段階的に変化している。すなわち、今回５０ｍｓの間に周波数を１．９→２．１ＭＨｚに変化させたので、周波数は２００μｓ毎に０．０００８ＭＨｚずつ変化している。
【００２５】
上記方法において、振動子印加電圧は、約１０〜５０Ｖｐｐとした。これは、ＦＧの出力は一定であるが、負荷の変動により変化するためである。振動子と反射板の間隔は、振動子から反射板までの全体を観察し、かつ音圧の節の間隔などを詳細に観察できるように、１０ｍｍのデータを用いたが、上記１０ｍｍに限らず、２０ｍｍ、３０ｍｍの場合も、同じような結果になった。周波数を変化する時間は、上記では０．０５ｓについて示したが、０．１ｓ、０．２ｓ、０．５ｓ、１．０ｓの場合についも実験を行ったところ、時間が長くなれば、移動速度が遅くなり、粒子の流れの軌跡は、縦に立った流れになった（図８）。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、超音波を用いた非接触フィルタリング方法及び装置に係るものであり、本発明によれば、１）液体媒質中で微小物体を非接触で捕捉し、音圧の節に沿って流れることを可能とする、２）音圧の節は、周波数を変化させることで移動し、微小物体を流路中の端を通過させることが可能である、３）超音波の周波数を連続的に変化させた後、瞬時に初期値に戻す操作を繰り返し行うことにより微小物体を濃縮することが可能となる、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】振動子と反射板を平行に配置した場合の音圧の節の分布の説明図である。
【図２】周波数変化時の音圧の節に捕捉された粒子の移動を示す説明図である。
【図３】フィルタリング装置の一例の説明図である。
【図４】音圧の節の層に捕捉され、層状になって流れ落ちるアルミナ粒子を示す。
【図５】周波数変化により右に移動するアルミナ粒子を示す。
【図６】周波数変化時の音圧の節の移動を示す。
【図７】周波数変化による粒子移動の説明図である。
【図８】周波数速度を変えた場合の粒子の流れの軌跡を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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