超音波レビテーションを用いたターゲット・デリバリシステムの開発
伊賀和音 ∗

2021 年 2 月 28 日
似できる。

1 序論
1.1

λB = (1 + k)λA
kv=vs2+kkv ≃ vs2

音波レビテーション

音波レビテーションは、音波を用いて物体を浮遊させる方法である。音波で定在波を作り、その節に物体をトラップすることができる [1]。

1.3

節ごとにトラップすることができるので、ト(1.2)
(1.3)

研究の目的

現在、自由電子レーザーでは、レーザー相互ラップ位置の間隔は波長の 1/2 となる。音波作用点を数 10Hz での繰り返し周波数で稼働さには人間には聞こえない超音波を用いることがせて物質に照射を行う実験をしている。照射対多い。元々は反射板を使って定在波を作ってい

象の物質の配置は、テープ上に物質を置き、そたが、その方法では厳密に波長の整数倍であるれを移動させる方法で行われていることが多必要があった。反射板ではなく、上下から同じい。しかし、テープからの散乱や、テープ自体周波数の音波を出すことで、波長の整数倍にすの飛散による照射チャンバー汚染が問題となっる必要がなくなり、設定が容易になった。

1.2(1.1)ている。そこで、本研究では、音波レビテー

うなりによる節の移動ションの技術を用いてターゲットデリバリのシ異なる点 A と B から波長 λA と λB の波がステムを試作した。また、音波レビテーション出ていることを考える。t = 0 のとき、A とで問題とされている高速性の評価を行う。最終

B の間の地点 P で 2 つの波の節が揃っている的な構想として、音響液滴射出によって飛び出とする。2 つの波の速度 vs が等しいとすると、た液滴の位置を音響浮揚で位置を固定して Xst = λA2v+λB のとき、それぞれの節から位相が線自由電子レーザーを照射させることを考えて2π ズレた節同士が出会う。節同士が出会う地いる。

A
点は点 P から λB −λだけ移動した地点とな
21.3.1る。変数 k を式 1.1 のように定めると、節の移現在使用されているターゲットデリバ
リシステム

動速度 v は式 1.2 のようになる。特に、2 つのX 線自由電子レーザーでは効率的なデータ収波の波長が近く |k| ≪ 1 のとき、次のように近集が必要となっている。X 線自由電子レーザー
をサンプルに照射して、その回折画像をとるのだが、レーザーに露出したサンプルは破壊され∗ 電気通信大学 Ⅲ類 米田研究室

1

てしまう。そのため多数 (数百から数十万) のの IC を用いた。TC4428 は反転と非反転の 2

サンプルを X 線自由電子レーザーの繰り返しゲートを持つドライバである。TC4428 は最大ごとに相互作用点に送り込む必要がある [3]。

で 18 V、1.5 A まで出力できる。反対側のトラX 線自由電子レーザーの繰り返し周波数は施ンスデューサも同様にした。

設により異なるが、兵庫の SACLA では最大で実験で用いた回路を図 2.1 に記す。図 2.2 に60 Hz となる [4]。
1.4

Vdd

目標とする装置

TC4428

図 1.1 に目標とする
Va

装置のイメージを示

NC
IN_A
GND
IN_B

NC
*OUT_A
VDD
OUT_B

上部トランスデューサ

す。60 Hz で繰り返す

Vdd

レーザーの相互作用点
TC4428に繰り返しごとにサンVb

プルを送り込む。サン

NC
IN_A
GND
IN_B

NC
*OUT_A
VDD
OUT_B

プルの移動速度 v とサンプル同士の間隔 d を

図 2.1

回路図用いて、v/d = 60 Hzとなればよい。サンプ

図 1.1

装置のイメージ

装置を示す。上部トランスデューサと下部トラル同士の間隔 d は上下のトランスデューサの周波数 (fA ≃ fB ) によって決まる。サンプルの移動速度 v は上下のトランスデューサの周波数差によって決まる。サンプルは音響液滴射出などによって射出された液滴 (平均密度 1 g/cm3 )である。
周波数は、超音波浮揚で一般的な周波数 fA ≃fB = 40 kHz とする。サンプル同士の間隔 d は
図 2.2

およそ 8.25 mm となる。したがって、要求さ装置図 (fA = fB = 40 kHz のとき)

れる移動速度 v は 25.5 cm/s である。式 1.3 から、周波数差を 60 Hz とすれば良いことがわ

ンスデューサは 2 cm だけ離して固定した。Vaかる。と Vb からは、それぞれ周波数が fA と fB の矩形波を出力した。Va および Vb から出る信号

2 実験
2.1は、TC4428 によって振幅 Vdd の矩形波に増幅実験装置の設計した。交流電源 Va および Vb には、JUNTEK のトランスデューサの 2 つの端子 Va1 と Va2JDS6600 を用いた。電源電圧 Vdd には、BJTに周波数 fA の信号を入力することで周波数の PS3030R を用いた。それぞれのトランスfA の音波を出力する。Va1 と Va2 に逆位相のデューサの入力には、同周波数で逆位相の信号電圧を印加することで電流を双方向に流すよが入力される。上下のトランスデューサへは、うにした。電圧の増幅および反転には TC4428

それぞれ異なる周波数を入力することができ2下部トランスデューサる。波形の立ち上がりの際に信号が減衰振動していたことが確認できた。また、別のトランスデューサでの信号立ち上がりの際にも減衰振動していたことが確認できた。これは、上下のTC4428 の電源 Vdd を共通しているためだと考えられる。電源にキャパシタを挟むことで振動を抑制できると考えられる。トランスデューサの入力信号に矩形波を用いているが、トランスデューサは共鳴動作するため出力は正弦波となる [1]。図 2.2 で 4 箇所に発泡スチロールを浮図 3.1

揚した様子を示している。各発泡スチロール間上下の周波数差と移動速度 v の関係の距離は平均 4.25 mm となっていた。これはられた。

40 kHz の音波の波長の 1/2 によく一致している。一方で、発泡スチロールが軸上からずれてv = (1.72 ± 0.01) × 104 cm s−1 × k (3.1)

斜めに配置していた。原因として、以下の 3 つが考えられる。上下 2 つのトランスデューサが式 1.3 を用いると次のように音速 vs が得らつくる定在波は、縦方向のトラップ能力は高いれる。

が、横方向は弱いこと。支柱による音波の反射

vs = 345 ± 2 m s−1(3.2)などの影響。トランスデューサが厳密に軸上に配置できていないこと。

音速 vs はセルシウス温度 t を用いて vs =速度の測定

331.5 m/s + 0.61 m/s◦ C × t と近似できる [2]2.2ので、次のように室温 t が得られる。

密度 0.020 g cm−3 の発泡スチロール 0.2 mg

t = 22 ± 3 ◦ Cを浮揚させた。電源電圧は Vdd = 12.0 V とした。入力周波数は fB = 40.00000 kHz とし、以上より式 1.3 の妥当性が確認できた。

fA を変えながら発泡スチロールの移動速度を3.1.1測定した。

2.3(3.3)

高速性

今回の設定では k = 2.5 × 10−4 (10 Hz 差)

必要な電源電圧の測定より大きくすると浮揚できなくなった。つま

入力周波数は fA = fB = 40.00000 kHz としり、4.3 cm s−1 が、今回測定できた最高速度でた。発泡スチロールは 0.4 mg の球を使用した。

あった。

発泡スチロールの密度を変えながら、浮揚でき必要な電源電圧の測定る最小の電源電圧 Vdd を測定した。

3.23 結果および考察

養に必要な電源電圧 Vdd をプロットしたグラフ

3.1

図 3.2 に測定結果を横軸に密度 ρ、縦軸に扶を記す。これをフィッティングして次の一次式速度の測定が得られた。

速度の測定結果を図 3.1 に記す。これを最小Vdd = (80.7 ± 1.0) V/g cm−3 × ρ

二乗法でフィッティングして以下の一次式が得+(4.75 ± 0.06) V3(3.4)

した 40 kHz ではトラップ位置の間隔はおよそ4.3 mm となる。したがって 4.3 cm s−1 での配置の繰り返しは 10 Hz となる。
今後は、中央の軸上にトランスデューサを設置しないセットアップ [1] を用いてどこまで移動中のブレを抑えられるか検証したい。また、

50 Hz でのデリバリの達成や高精度でのデリバリに向けた開発をする。

参考文献
図 3.2

密度と必要な電源電圧の関係[1] Asier Marzo etc., ”TinyLev: A multiemitter single-axis acoustic levitator”,

フ ィ ッ テ ィ ン グ は 、外 れ 値 と み ら れ る

0.050 g cm

−3

Review of Scientiﬁc Instruments., Vol-を除いて行なった。

ume 88, Issue 8, page 085105, August

今回の設定で水 (1.0 g cm−3 ) を浮揚させの2017,に必要な電源電圧は、Vdd = (85.5 ± 1.1) V で[2] 中村晃, ”音速について考えてみよう!”,あると考えられる。

3.3

https://www.kanazawa-it.ac.jp/

装置の評価

トラップ中の球 (0.02 g cm

efc/15_education-research/15_2_−3, 0.4 mg) の振with_high_schools/pdf/24.pdf, 金沢

動は、Vdd = 7.0 V で横方向に 0.26 mm、縦方工業大学, 2008, (2022 年 1 月 30 日閲覧)

向に 0.07 mm であった。2.1 節で述べたよう[3] Isabelle Martiel etc. ”Strategies for sam-に、横方向のトラップ能力が比較的弱いと考え

ple delivery for femtosecond crystal-

られる。また、支柱に張り付いて浮揚すること

lography”, Acta Crystallographica Sec-があったことから、支柱による影響も無視できtion D, Volume 75, Issue 2, pp.160-177,ないものであると考えられる。

February 2019

また、落下したターゲットがトランスデュー[4] 国 立 研 究 開 発 法 人 理 化 学 研 究 所 放サ内に侵入してしまうという問題点も見つかっ

射光科学研究センター X 線自由電た。これは中央の軸上にトランスデューサを設子 レ ー ザ ー 施 設 SACLA ”ビ ー ム ラ

置しないセットアップ [1] を用いることで回避

イ ン” http://xfel.riken.jp/users/できる。このセットアップは横方向のトラップ

bml02-11.html (2022 年 1 月 31 日閲覧)能力が向上するメリットもある。

[5] R.R. Boullosa etc. ”An Ultrasonic Levitator”, Journal of Applied Research and

4 結論

Technology, Volume 11, Issue 6, pp.857-

今回の設定では水程度の密度を浮揚させる

865, December 2013のに 85 V の電源電圧が必要であることが予想できた。また、4.3 cm s−1 の速度で発泡スチロールを移動させることに成功した。今回使用

4