2016 Fiscal Year Annual Research Report
Non-contact mixing, analysis and dispensing of droplet utilizing ultrasonic levitation
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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, 科学技術創成研究院, 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 / 薬液混合 / 非接触加工 |
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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、あるいは加工や測定などの操作を完全非接触で行うことをめざしている。
今年度は、昨年度に続きMHz帯集束超音波によって液滴１つだけを微小容器から打ち出す方法についての検討を発展させた。凹面PZT振動子によるバースト超音波を水結合した容器底面から内容液体の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を検討した。水やエタノールなどについて、液体の物性と打ち上げ条件、打ち上る液滴の容積などの関係を実験的に詳しく調べ、インクジェットプリンタなどでの研究結果と比べて評価を行った。本研究における液滴打ち出しも従来のインクジェットなどと同様の傾向を有することがわかった。さらに、打ち出した液滴を定在波音場の音圧の節で捉える実験も行い、音圧を適切に調整することで、捕捉に成功した。再現性向上のためには、飛翔液滴を検出して定在波音場の駆動を開始する制御系が必要である。
また、超音波定在波の音圧の節に浮揚させた小球に非接触で液体を塗布することについて検討した。液体を超音波霧化により小球に噴霧して塗布を行ったところ、小球の全体に塗布できるが、赤道部分の塗布量が大きくなることがわかった。これは、小球が回転運動をするためと、定在波音場による影響であると考えられる。一方、定在波音場の音圧をフィードバックする振動系駆動回路を考案・検討して、より安定な浮揚を実現した。
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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
昨年度より引き続き検討を行っている容器底面からMHz帯集束超音波を照射して液滴１つを打ち上げる技術について、液体の種類なども変えながらバースト駆動の条件と液滴の体積などの関係を明らかにすることができた。これを査読付き論文にまとめ投稿することができた。
一方、定在波音場中に浮揚させた微小球に超音波霧化した液体を塗布することに成功し、その塗布状況を観察することができた。また、この操作のために、定在波音場の音圧をピックアップして駆動回路に帰還させる振動系を考案、試作して期待通りの動作を得ることができた。使用した振動子の高いQ値がこの回路の制限要因となるが、この方式により、浮揚物体が挿入されたりしても適した周波数で発振し、浮揚動作が従来よりも安定になった。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度のため、研究全体のまとめを行うと同時に、以下の項目を検討したい。
超音波浮揚のための振動系として、これまでは旧来のランジュバン型振動子に金属ホーンを接続したものを利用してきた。しかし、この振動系は大型であり、空気を負荷とするには効率がよくない。そこで、空気中に強力な定在波音場を励起するのに適した振動系について検討を行う。具体的には、金属振動体ではなくエンジニアリングプラスチックを用いた振動系を改めて設計する。これまでに、PPS材が超音波周波数の大振動振幅下でもQ値を比較的高く保てることを別途明らかにしており、PPS材料を中心に新たな振動系を試作する。また、この振動系の駆動回路についても、昨年度開発したフィードバック駆動系をさらに改良して適用し、装置全体として安定で効率の良い動作をめざす。
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| Causes of Carryover |
初期計画で導入を検討した音場観察のためのシュリーレン装置について、レンタルである程度必要な測定ができたため、購入を止めて他の実験資材を追加し、実験補佐を2か月設けた。これにより、塗布実験などを行うことができた。これらの変更のために10万円程度の差額が生じたたため、次年度使用することとした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
最終年度（H29）の実験材料費（消耗品費）として利用する予定である。
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