2015 Fiscal Year Annual Research Report
超音波浮揚を用いた液滴の空中非接触混合と非接触分析・分注
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26289054
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
中村 健太郎 東京工業大学, 精密工学研究所, 教授 (20242315)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 超音波 / 超音波浮揚 / 音響放射力 / 非接触 / 液滴 / 搬送 / 混合 / 滴下 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代の創薬や新材料開発では、薬剤や材料液体の搬送、混合、分析・評価、分注などの一連の操作を完全に非接触で行うことが求められている。本研究では、空中の超音波音場の音圧の節に微小物体がトラップされる現象を利用して、液滴を浮揚させ、異なった２液の混合、混合した液体の分析、分注などの操作を完全非接触で行うことをめざしている。
平成26年度は、混合方法に関する検討、非接触滴下、使用する超音波周波数などに関する実験を行った。今年度(平成27年度)は、液滴１つを微小容器から打ち出す方法について詳しく検討した。凹面PZT振動子によるMHz帯集束超音波を容器底面から水面に向かって照射し、水面から液滴１つを打ち上げることに成功した。容器底面と振動子は水によって音響的に結合させた。集束超音波の継続時間などの駆動条件を検討した。この実験において、液滴の打ち出される様子を精密に観測するために高速度カメラ(H27年度の主要な物品)を導入した。また、浮揚させた液滴の重量を非接触で測定する方法について、測定精度の向上に努めた。さらに、定在波音場中に注射針によって液滴を導入する際の、「液切れ」を良くする方法として、注射針を振動させる方式を考案・検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度実施した液滴滴下について、実験データを整理して考察を加えることで論文投稿を行うことができた。
容器底面からMHz帯集束超音波を照射して液滴１つを打ち上げる方法については、高速度カメラの導入により詳細な検討を行うことができた。バースト駆動の条件と液滴打ち出しの関係を調べ、考察を進めた。また、定在波音場により浮揚した液滴の重量を非接触で測定する方法として、超音波音場の強度変調によって液滴の浮揚位置を振動させて、その振動の周波数特性から重量を推定することを考え、その測定精度の向上を行うことができた。さらに、注射針で液滴を定在波音場に導入する際に、注射針を振動させることで、より小さな液滴を導入することを可能とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
概ね順調に研究が進んでおり、今後は次の点を進めたい。
これまでの研究により液滴の打ち上げに成功し、その条件を調べた。今後は、打ち上げた液滴を別の定在波音場でトラップすることを実現するための、定在波音場の励振タイミングや条件を検討する予定である。また、注射針による定在波音場への液滴導入では、粘性などの液体の性質と注射針の振動の条件を、注射針の直径を変えながら系統的に調査する。また、超音波音場の変調による液滴重量測定では、昨年度行った実験のデータを整理して、系統的な条件を明らかにしたい。
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| Causes of Carryover |
今年度は高速度カメラの導入を行った。数社のカメラを慎重に検討した結果、導入価格を低く抑えることができた。一方、音場を2次元的に観測するシュリーレン装置は、価格が折り合わずに導入を見合わせた。また、旅費は計画よりも低く抑えられた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
完成品のシュリーレン装置は、必要な性能を得るには高額であることがわかったため、自作することや他の方式を検討する。シュリーレン装置は20年前に利用していたものを確認したところ、大直径ミラーなどの主要部材の一部は残っていたので、これが再利用できるかを検討する。これが利用できると、光源、観測系を準備すればよいことになる。ただし、本研究では空中利用になるので、従来のシュリーレン法とは違った問題も生じる可能性があり、十分な検討が必要である。
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