(57)【要約】【課題】固体表面の液膜を、弾性表面波の干渉を利用して効率良く駆動する手段を提供する。【解決手段】駆動対象の液膜が形成された基板の液膜を挟んで対向する位置に相互に発振周波数の異なる一対の弾性表面波発生源を配し、両発生源からの弾性表面波の干渉により生じるうなりの進行波により液膜を駆動する。その際、両発差Δｆ＝ｆ１−ｆ２（ここで、ｆ１は液膜の駆動方向上流側発生源の周波数、ｆ２は下流側発生源の周波数である）を生源の発振周波数の差を、０．２〜１００Ｈｚとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央付近に駆動対象の液膜が形成された基板の該液膜を挟んで対向する位置に、相互に発振周波数の異なる一対の弾性表面波発生源を配し、両発生源からの弾性表面波の干渉により生じるうなりの進行波により、前記液膜を特定方向へ流動させることを特徴とする液膜の流動制御方法。
【請求項２】
前記一対の弾性表面波発生源の発振周波数の差Δｆ＝ｆ１−ｆ２（ここで、ｆ１は液膜の駆動方向上流側発生源の周波数、ｆ２は下流側発生源の周波数である）を０．２〜１００Ｈｚの範囲内にすることを特徴とする請求項１記載の液膜の流動制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の方法に用いられる装置であって、中央付近に駆動対象の液膜が形成された基板と、該液膜を挟んで対向する位置に配された相互に発振周波数の異なる一対の弾性表面波発生源を有する液膜の流動制御装置。
【請求項４】
請求項３の構成に加えて、さらに前記弾性表面波発生源のいずれか一方又は双方の発振周波数を可変に制御する手段を有する液膜の流動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体表面を伝播する弾性表面波の干渉を利用して、液膜の流動を制御する方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
弾性表面波は、弾性体（固体）の表面に沿って伝播する弾性波で、工業的には、
主に電子情報通信機器における広帯域フィルターなどの弾性表面波デバイスに応用されている。
一方、弾性表面波の力学的作用に関する研究も広く行われている。弾性表面波モータはその成果の一つで、これに関する提案も多い（例えば、特開平７−２３１６８５号公報など）。弾性表面波モータは、弾性表面波の伝播により（伝播方向とは逆方向に）生じる固体表面の局所的楕円運動を利用して、その表面に加圧接触される移動体を摩擦力により駆動するものである。
【０００３】
このように固体を駆動する弾性表面波モータは現在広く利用されているが、弾性表面波により液体を駆動しようとする試みも提案されている。例えば、特開平１０−３２７５９０号公報には、固体（例えば圧電基板）表面を伝播する弾性表面波のうちレーリー波は、固体表面の液体中に縦波を放射することから、そのエネルギーにより液滴を弾性表面波の進行方向に駆動しようとする弾性表面波アクチュエータが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
固体表面に形成された液膜を、弾性表面波により効率良く駆動することが可能であれば、塗料等の液膜の流動性の改善や液膜中の微小物質のハンドリングの手段として、非常に有用であると考えられる。
とくに、近年バイオテクノロジーの分野で、マイクロマニピュレーションの必要性が高まっており、各種のマイクロアクチュエータやレーザーピンセットなどが開発・実用化されている。したがって、上述のように弾性表面波による液膜の駆動が可能であれば、液体中の微小生体物質のハンドリングに新たな要素技術を加えるものとして、その期待は大きい。
【０００５】
固体表面を弾性表面波が伝播するとき、表面波の振幅に対応する微小な凹凸が固体表面に生じ、それが波とともに移動する。その微小な凹凸が表面に接する液体に何らかの作用を及ぼすことが考えられる。しかしながら、弾性表面波の伝播速度はきわめて速いため、固体表面の変化に液体が追随できない可能性が大きい。
すなわち、単一モードの弾性表面波では、表面波と液体の間に見掛け上何の相互作用も現われないか、相互作用があっても、駆動の効率はきわめて低いものになることが予想される。
そこで本発明は、固体表面に形成された液膜を、弾性表面波の干渉を利用して効率良く駆動する手段を提供することを目的とする。
【０００６】
【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、
中央付近に駆動対象の液膜が形成された基板の該液膜を挟んで対向する位置に、相互に発振周波数の異なる一対の弾性表面波発生源を配し、両発生源からの弾性表面波の干渉により生じるうなりの進行波により、前記液膜を特定方向へ流動させることを特徴とする液膜の流動制御方法である。
【０００７】
二つの波の干渉により生じるうなりの波の周期は、もとの波の周期より大幅に長い。したがって、単一モードの弾性表面波では、固体表面の変化に液体が追随できないのに対して、相互に周波数の異なる弾性表面波の干渉によるうなりの進行波を利用すれば、固体表面の変化に液体が追随できるようになり、液膜を波の進行方向に駆動することが可能となる。
【０００８】
また、二つの波の周波数の差が小さいほど、うなりの波の周波数が小さくなり、
進行速度が遅くなるため、固体表面の変化に液体が追随し易くなる。その反面、周波数差が小さくなりすぎるど、液体を駆動する力も弱くなると考えられる。
【０００９】
したがって、本発明においては、二つの表面弾性波の周波数差を適切に選択することが重要となる。すなわち、上記一対の弾性表面波発生源の発振周波数の差Δｆ＝ｆ１−ｆ２（ここで、ｆ１は液膜の駆動方向上流側発生源の周波数、ｆ２は下流側発生源の周波数である）を０．２〜１００Ｈｚの範囲内にすることが好ましく、より好ましくは、この値を０．２〜１０Ｈｚの範囲内とする。
【００１０】
また、本発明は、上記の方法に用いられる装置であって、中央付近に駆動対象の液膜が形成された基板と、該液膜を挟んで対向する位置に配された相互に発振周波数の異なる一対の弾性表面波発生源を有する液膜の流動制御装置を含む。上記の装置は、さらに前記弾性表面波発生源のいずれか一方又は双方の発振周波数を可変に制御する手段を有するものであってもよい。
【００１１】
本発明において、上記の弾性表面波発生源は、（ａ）圧電材料の基板にすだれ状電極（ＩＤＦ，Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ  ）を設ける方法、（ｂ）非圧電材料に圧電材料を被覆し、これにＩＤＦを設ける方法、（ｃ）非圧電材料の基板を用い、これと独立な超音波発生源で加振（縦波を入射）して、弾性表面波にモード変換する方法などのいずれによるものであってもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態および実施例】
以下、実施例に基づいて本発明の実施の形態および効果について説明する。本実施例において、弾性表面波の発生は、非圧電材料の基板に振動子から超音波を入射し、いわゆるくさび形変換器により縦波を弾性表面波にモード変換する方法によった。
【００１３】
図１は、本実施例で用いた実験装置の構成を示す図である。同図において、１は基板、２ａ，２ｂは超音波発振の振動子、３ａ，３ｂは変換器、４ａ，４ｂは増幅器、５は波形電圧発生装置、６は液膜、７は液膜の水槽、８は観察用のディジタルビデオ（ＤＶ）カメラである。
【００１４】
基板１は、アルミニウムの板で、その形状・寸法を図２に示す。振動子２ａ，２ｂには、２０×５０ｍｍの大きさの圧電セラミックスの板（冨士セラミックス社製、材質Ｃ−２１３）を用い、エポキシ系接着剤で基板１に接着した。この振動子に高周波電圧を印加すれば、圧電セラミックス板の厚み方向の振動により、基板１に超音波振動が付与される。
【００１５】
変換器３ａ，３ｂは、振動子２ａ，２ｂに対応する位置において基板１の上面に形成された、断面が鋸歯状で、基板１の幅方向に延在する多数の溝からなっている。溝の側面の一方（基板の端部側の壁面）は垂直で、反対側の壁面が４５度の傾斜になっている。なお、溝の幅は約１波長に相当する長さとし、それぞれ１０波長分の溝を形成した。基板に入射された超音波の縦波は、この変換器で基板の中央方向に伝播する弾性表面波にモード変換される。
【００１６】
本実施例において、超音波の周波数は圧電セラミックスの共振周波数に近い１．
０９８ＭＨｚとした。この装置で発生する弾性表面波の音速を実測したところ、２．６４ｋｍ／ｓであった。この値は文献値の約２．８５ｋｍ／ｓに近いことから、弾性表面波が発生していることが確認された。
【００１７】
増幅器４ａ，４ｂには、市販の広帯域高周波電力増幅器を用いた。これは０．１から３０ＭＨｚの周波数において、１０Ｗ以上の出力を得ることができるものである。また、波形電圧発生装置（ファンクションジェネレーター）５には、横河電機（株）製のＦＧ１２０を用いた。これは、二つの出力をもち、二つの発信信号の位相差を設定することができ、どんな状態から発信させても信号の位相差がずれないという特徴をもつものである。これを用いることにより、二つの振動子２ａ，２ｂの発振周波数の差を、きわめて高い精度で設定することが可能であった。
【００１８】
本実施例においては、実験の再現性を高めるため、液膜の状態を一定にする手段として、水槽７を用いた。すなわち、図３に示すように、内側の寸法が４０×６ｍｍ、高さ２ｍｍのシリコンラバーからなる底面の無い枠（水は直接基板に接触）を基板に貼り付け、その中の水の流動を観察した。実験開始時の液膜６の厚みを一定にするため、メスピペットで正確に計量した水６９０ｍｍ３（０．６９ＣＣ）を水槽に供給した。弾性表面波により基板表面の液膜が駆動されれば、図３の矢印で示すように、水槽７内に循環流が生じることになる。
【００１９】
液膜の流動状態を定量評価するため、図３に示すように、水性の絵具９をあらかじめ水槽７の中央付近の基板１の表面に付着させ、溶け出す絵具の移動をＤＶカメラ８で撮影した。図４は、実験（弾性表面波による液膜の駆動）開始前後の絵具の状態を示す模式図で、図４に示す測定距離をもって、絵具の移動距離とした。
上記のような方法で、液膜流動の様子を観察するとともに、対向する弾性表面波発生源の発振周波数の差が液膜の流動に与える影響を調べた。なお、実験の再現性を確認するために、それぞれの条件下で繰り返し３回の実験を行なった。
【００２０】
図５に、絵具の流動方向を調べた結果の例を示す。二つの弾性表面波発生源の発振周波数の差が１Ｈｚの場合で、周波数が高い方から低い方への絵具の流動をＣｈ１→Ｃｈ２で表し、その逆方向への流動をＣｈ１←Ｃｈ２で表している。図に見られるように、Ｃｈ１←Ｃｈ２の方向の流動はほとんどなく（静止時の拡散程度）、６０秒の間にＣｈ１→Ｃｈ２の方向に７〜１２ｍｍ程度流動することが分かる。二つの弾性表面波の干渉により生じるうなりの進行方向は、Ｃｈ１→Ｃｈ２の方向であるから、上記の結果は、液膜がうなりの進行波により駆動されることを支持するものである。
【００２１】
図６に、絵具の流動距離に及ぼす周波数差の影響を調べた結果の例を示す。同図は、６０秒後の絵具の移動距離を周波数差に対してプロットしたものである。両発生源の周波数差が無い時、絵具はほとんど移動しない。周波数差が大きくなるにつれて、絵具の移動距離は大きくなり、約１Ｈｚの時に最大となったのち、徐々に小さくなっているのが分かる。
【００２２】
上記のような結果になる理由を考察してみると、周波数差が比較的小さいとき（１．０Ｈｚ以下）、周波数差が大きくなるに従いうねりの伝播速度も速くなるが、そのうなりに駆動される流動も大きくなるためと考えられる。しかし、周波数差がさらに大きくなると、液体の流動速度がうなりの伝播速度に追随できなくなり、流動が起こりにくくなったものと考えられる。
【００２３】
以上の結果から、弾性表面波の干渉を利用しなければ（単一モードの弾性表面波では）液膜の流動を引き起こすのが難しいこと、および両発生源の周波数差を変えることで、液膜の流動を制御し得る可能性が確認された。なお、本実施例では、周波数ｆが約１ＭＨｚのとき、好ましい周波数差Δｆは０．２〜１００Ｈｚ（より好ましくは０．２〜１０Ｈｚ）であった。
【００２４】
本発明において、弾性表面波の発生源は、本実施例以外の方法、例えば圧電体の基板又は圧電体を被覆した基板に、一対のＩＤＦを設けて弾性表面波を発生させるような方法であってもよい。また、非圧電体の基板に超音波を入射する場合の、超音波発生手段、加振手段、縦波を弾性表面波にモード変換させる手段（変換器の構造、形状）等も、本実施例の方法に限定されるものではない。また、非圧電体の基板材料としては、超音波が伝わる固体（例えば、アルミ、鉄などの通常の金属、ガラスなどのセラミックスその他の無機材料等）のいずれであってもよい。
【００２５】
さらに、弾性表面波の周波数も、基板や振動子の特性を考慮して、弾性表面波の発生が容易な周波数範囲を選択すればよい。また、駆動対象の液膜と弾性表面波の発生源との位置関係も、両発生源の間で干渉波が生成する範囲内であれば、とくに限定を要しない。
【００２６】
【発明の効果】
本発明により、固体表面に形成された液膜を、弾性表面波の干渉を利用して効率良く駆動することが可能となった。本発明は、液膜の流動性の改善や液膜中の微小物質（とくに微小生体物質）のハンドリング等に、非常に有用な手段を与えるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例で用いた実験装置の構成を示す図である。
【図２】本実施例で用いた基板の形状寸法を示す図である。
【図３】本実施例における液膜の形成方法の説明図である。
【図４】本実施例における液膜の移動距離の測定方法の説明図である。
【図５】絵具の流動方向を調べた結果の例を示す図である。
【図６】絵具の流動距離に及ぼす周波数差の影響を調べた結果の例を示す図である。
【符号の説明】
１：基板
２ａ，２ｂ：振動子
３ａ，３ｂ：変換器
４ａ，４ｂ：増幅器
５：波形電圧発生装置
６：液膜
７：水槽
８：ＤＶカメラ
９：絵具
【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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