JP2703302B2 - マニピュレーティング手段 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液媒体中の特定物質をマニピュレートする
ための超音波エネルギの利用に関する。

その特定物質は、節部分（以下、単に節と称す）もし
くは非節部分（以下、単に非節と称す）に個々の微粒子
を引き付ける超音波定常波における音響的な力によって
影響を受ける（本発明の目的のためには、節もしくは非
節のいずれであるかは重要ではなく、以下の説明を簡単
にするために節のみについて言及するが、そのメカニズ
ムは、非節によって微粒子が引き付けられるようなメカ
ニズムと同じであると理解される）。

我々のヨーロッパ特許出願第147032号（84.307496.
4）には、軸方向に向かい合った二つの超音波トランス
デューサが、そのトランスデューサ間に挟まれた液体の
同軸上のコラム内での微粒子の動きをコントロールする
ために、どのようにして定常波を安定させるか、また、
定常波を置き換えることによって、定常波の影響下にあ
る微粒子を定常波の軸方向内でコラムに沿って如何に動
かすことができるかが述べられている。

トランスデューサは対応する力を出力するように調整
されているので、定常波の作用長は、トランスデューサ
間の軸方向領域の部分を占めるだけであり、コラムに沿
って移動する超音波エネルギの減衰は、二つのトランス
デューサ間の中心点からの距離が増大するとき、コラム
に沿う異なった点での二つの出力間での不均衡が増大す
る。減衰は、定常波の伝播方向における音響エネルギの
傾斜として知見され、そしてこれらの傾斜は、液中で、
微粒子がその中で移動するところのコラムに沿って該コ
ラムに平行な方向へ、好ましくない音響上の流れを生じ
る。何故ならば、減衰比はトランスデューサの出力周波
数と共に増大するからであり、この効果はより高い超音
波周波数において顕著であって、定常波におけるその有
効作用長は、トランスデューサ間の非常に小さい距離の
部分だけに縮小できる。例えば100kHz以上の高い周波数
の超音波源を使用することは、空気が体系から完全に排
除されることが必要であることも意味する。それは、空
気を効果的に絶縁体にするような周波数の超音波が、空
気中ではすぐに減衰されてしまうからである。したがっ
て、トランスデューサとコラムとの間には空気のない間
隙がなければならず、また、液中の気泡の存在も許され
ない。

もしこれらの条件をうまく満たすことができない場合
には、明らかに問題が生じることとなる。一つの例とし
て、もし、液体コラム中の微粒子材の分離や分析あるい
はそのいずれか一方のために、コラムをその全長にわた
って定常波にさらすように、高い周波数の超音波体系を
採用しなければならない場合、たとえ液体コラムが気液
境界面で終わるときでも、操作方法は、この事がなされ
るのを許容するように要求される。

本発明の一つの形態によれば、超音波エネルギ発生手
段が少なくとも二つの超音波定常波を形成するように配
置された定常液体系によって液体コラム中の微粒子材の
動きをコントロールするための装置において、上記定常
波体系は、上記発生手段が、コラムの長手軸に対して傾
いて延びる上記定常液の少なくとも一つの軸と共に、該
コラムの長手軸と異なる方向で該コラムを横切るように
交差して延在する伝播の軸を備えた上記定常波を形成
し、且つそのことによって定常波の節がコラム内で交差
を有して該交差が該長手軸に対して角度がつけられてい
ることを特徴とし、さらに、定常波の節の交差とコラム
内で微粒子を含んでいる液との間でのコラムに沿う相対
的移動のための手段を備えていることを特徴とする装置
が提供される。

本発明はまた、液体コラムの中の微粒子材の移動をコ
ントロールする方法を提供する。この方法では、少なく
とも二つの超音波定常波が、コラムの長手軸に対して傾
いた少なくとも一つの上記軸と共に、コラムの長手軸と
異なる方向で該コラムと交差して横切る方向に延びる軸
を備えて確立され、そのことによって、定常波の節がコ
ラム内での交差を有し、該交差は上記長手軸に対して角
度がつけられ、且つコラム内での定常波の節の交差と、
微粒子をその中に含む液体との間で、コラムに沿った相
対移動が行われ、と同時に、該液内の微粒子が該交差の
領域内に保持される。

ザ・アイビーエム・トレード・ディスクロージャー・
ブラティンの1982年６月第25巻第１号は、液体の流れの
中で微粒子を集中させるために超音波を用いる方法を開
示している。この液体は、コラムの長手軸に平行に流
れ、と同時に、直交して取り付けられた二つのトランス
デューサが、コラムの長手軸に平行に配置され、そし
て、コラム内に定常波をそれぞれ確立するのを許容する
ように反射体と適合させられる。二つの定常波の節は、
コラムの軸に平行な線に沿って交差する。液体内の微粒
子は、このことによって撚り線状（strand−like）の流
れに制限され、コラム軸に平行に保たれ、コラムの入口
と同軸上の出口に至る。この配置の目的は、微粒子をメ
インの軸方向の流れの中に保持することにあり、と同時
に、液体の或る部分は、メインの流れの中に集中させら
れた微粒子を残して横方向へ流出させられる。定常波の
交差する箇所は、コラムの長手軸に平行となるように、
一連の平行な線状領域を形成する。これら節の交差と、
微粒子を含んでいる液体との間でコラムに沿う相対的移
動はあり得ない。実際、その配置の目的は、余剰の液体
をオフセットされた出口へ移動させるために、横断方向
の移動を発生させることにある。

本発明による配置内の超音波発生手段によって作られ
る定常波の方向が異なっているので、その定常波は交差
する節の列を形成するように相互作用する。もし、一つ
あるいはそれ以上の交差する定常波が、液体に対して交
差の移動を生ずるように置き換えられると、定常波によ
って影響を受ける微粒子が同じように移動し、音響エネ
ルギに応答する微粒子に最も大きな影響のある区域が、
交差する定常波の節の交差に関してそのとき確立され得
る。その結果として、液体に対する微粒子のコントロー
ルされた移動は、定常波の軸を横切る方向に強いられ
る。

このメカニズムの主な重要点は、微粒子が、これを保
持している液体に対して相対的に移動するときに、音響
上の流れが微粒子の移動方向と同じ方向へ作用すること
はもはや必要ではなくなることであり、またそれは、ど
のような音響上の流れも、せいぜいコラムに沿う小さな
コンポーネントしか持たないように配置できることであ
る。さらには、コラムに沿って微粒子を移動させるため
に、超音波トランスデューサをコラムと同軸に組み付け
る必要がない。コラムへの音響エネルギの結合は、エネ
ルギの通路がコラムの全長を貫通して延びる必要がない
という事実によって簡略化され得る。即ち、各定常波
は、微粒子を保持する液体を貫通する比較的短い通路を
備えているだけでよい。

本発明の実施においては、特に採用された実施例によ
るが、液体コラムに対する節の移動は、液体コラムの軸
方向への移動によっても、あるいは定常波の共通作用ゾ
ーンを通過する、交差した節波面の列を移動させること
によっても達成され得る。また、コラムと交差した節波
面とを同時に移動させることも可能である。

本発明の一つの形態では、発生手段は、コラム軸に対
する同じ側及び反対側の傾斜でコラムに交差して延びる
定常波を作るように配置される。この方法では、本質的
に同じ周波数で作用する発生手段を用いることによっ
て、節の交差がコラム内で軸方向へ移動するようにさせ
られる。一つの簡単な配置は、軸方向及び径方向に離れ
てはいるものの、ダイヤモンドパターンに配設された四
つの超音波トランスデューサを含んでいる。各対角線上
反対側の対におけるトランスデューサからの出力は合わ
され、且つ各対が定常波を作るように実質的に同軸上の
通路を経て進み、全トランスデューサからの出力は共に
同じ平面となり、交差する節の“表面”もしくは波面の
列となる。トランスデューサは、トランスデューサの異
なった対からの出力が、コラムに対して異なった径方向
の平面にそれぞれの軸を持つように配置できるので、そ
の結果、３次元の干渉パターンが生じる。

本発明の他の形態においては、コラムに対して斜めに
延びる軸を持つ一つの定常波が、コラムに直角な軸を持
つ他の定常波とコラム内で交差する。静止した第２の定
常波に対する第１の定常波の移動は、節の交差のコラム
に沿う移動を生じる。そのような静止した定常波の配置
は、強い共鳴を起こすことができ、微粒子をその節平面
に強く引き付けられる。移動する定常波は、静止した波
に保持される微粒子が、節平面に存在する比較的弱いエ
ネルギの傾斜を貫通して移動できるのを確実にするため
に、十分に強いことだけが要求される。

本発明に係る構造の好ましい形態では、少なくとも、
超音波発生手段が、超音波エネルギをコラムに対して斜
めに伝達するように配置された発振面を持っていると
き、それらは、コラム内の液体中よりもかなり高い速度
で音が移動する媒体の中を通ってそのように伝達する。
そのような配置にあっては、屈折した定常波が、伝達媒
体と液体との間の境界面に対して斜めに当たり、液体中
の伝播の軸をコラム軸に対して直角となる方へ近付ける
ように歪ませる。それゆえに、伝達媒体中では斜めに傾
いた定常波の軸のより鋭角な傾斜が、コラムの外側の各
定常波の間の間隔を急速に増大させるけれども、各定常
波の作用ゾーンの大部分がコラム内で交差するように配
置することが可能であり、その結果、超音波発生手段で
あるトランスデューサをコラムに対して都合のよい位置
に調節するのが容易になる。

本発明は、添付の概略図を参照して実施例により説明
される。

第１図は、超音波エネルギの二つの交差するビームに
よって形成される干渉パターンを示す説明図であり、 第２及び３図は、本発明が組み込まれる超音波体系内
の交差する節波面の列の図であり、 第3a図は、第３図の音響体系における力の場を図示し
ており、 第４図は、血液サンプルのキャピラリチューブ内の微
粒子分離のために用いる第３図の体系を図示しており、 第５及び６図は、本発明に従う装置の他の実施例を図
示しており、第７図は、共鳴現象が本発明の実施にどの
ように採用され得るかを図示しており、そして、 第８及び９図は、本発明に従う装置の他の実施例を図
示しており、その図のVIII−VIII及びIX−IX線上の断面
図である。

第１図は、両方とも図の右側へ向かって伝播して進行
する二つの液W1,W2が互いに交差している状況を示して
おり、それぞれの軸は互いに僅かな角度で傾き、それら
の波は同じ周波数である。波面は各波のための平面波Ｐ
の連続として示されており、それぞれの波の軸に沿って
媒体内の音速で進行する。二つの波の波面は、二つの波
の軸の２等分線に平行な進路Ｉに沿う波面と共に進行し
て且つ定常波の節波面を形成するような、交差点の連続
を形成する。進行する波の伝播方向間の角度が小さくな
ればなるほど、定常波は弱くなる。

たとえば、２等分線に垂直な反射面Ｒが、第１図に示
された波パターンの前に進路Ｉに垂直に置かれたとする
と、第２図に示されるような状態が得られることにな
る。第２図は、例えば第１媒体が水のような液体で、第
２媒体がアルミニウムのような音を伝える固体であるよ
うに、第１媒体よりも音速が大きい、そのような第２媒
体との界面を表す境界面Ｘ−Ｘと、反射面Ｒとの間で、
二つの波が一つの媒体内で交差しているのを示してい
る。第２媒体の利用は、超音波源（図示せず）がより都
合よく離れて配置される一方で、第２媒体内で、波の軸
が反射面の法線に対する僅かな角度を維持するのを許容
する。第１媒体を通過する一つの波W1の入射進路は線AB
及びCDで区画され、その反射進路は線BE及びDFで区画さ
れる。他方の波は、線AG及びCHで区画される入射進路
と、線GJ及びHKで区画される反射進路を有している。四
つの全部の進路は、その中に一連の定常波が生じさせら
れる大きさの領域EBHKを占める。第１に、二つの波W1,W
2の周波数を合わせることによって二つの定常波が生
じ、各定常波は、一方の進行する波の入射ビーム及び他
方の波の反射ビームによって形成される。これら二つの
定常波は互いに斜めに交差し、且つそれぞれは反射面Ｒ
に対して傾斜したそれぞれの節波面を有している。

境界面Ｘ−Ｘと反射面Ｒの間の領域では、進行波W1,W
2のそれぞれが、反射面Ｒからの自身の反射によっても
定常波を形成し、そしてこれらの各定常波は、反射面Ｒ
に平行な節波面を有する。これらの定常波は静止してお
り、それらはそれぞれ反射によって発生するのでその位
置に固定される。もし、進行波W1,W2が同一周波数であ
って、反射面に対して等しく反対側に傾けられた軸に沿
って移動するならば、それらの定常波は互いに識別不可
能であり、そしてそれぞれは等しく作用し、その結果、
反射面に平行な節波面を持った一つの定常波となる。

最終的には、既に第１図を参照して述べた形態でそれ
らが反射面Ｒの方向へ移動するように、二つの波の相互
作用によって、二つの波W1,W2の２等分線に平行な節波
面を持った更に別の定常波が形成される。反射面から戻
って来るそれらの反射波は、この新たな定常波を強化す
べく相応じて相互作用する。

互いに斜めに交差する１対の第１の定常波と、最後に
述べた、二つの進行波の２等分線に平行な波面を備えた
定常波とは、二つの源の間での一連の位相変化によっ
て、それらの節波面が置き換えられてもよい（例えば、
我々の先のヨーロッパ特許出願85.304807（EP−Ａ−017
3435）に述べられた態様で）。何故ならば、これら三つ
の定常波はそれぞれ、異なった源からの二つの進行波間
の干渉の中に形成されるからである。

第２図に示された配置の結果の波体系は、四つの定常
波が存在する中の一つであり、それらのうちの二つの節
波面は斜めに交差すると共に他の二つの節波面は反射面
を横切って平行に横たわっているが、反射面に平行な節
だけは進行する動きが与えられ得ない。

音響エネルギの影響を受けて液体中に浮遊した微粒子
は、総ての節波面の回りに集まろうとするが、特に、こ
れらの波面が交差する領域へ移動する。その移動しやす
い定常波を、境界面Ｘ−Ｘと反射面Ｒとの間の液中で上
へもしくは下へ移動させることによって、微粒子は対応
して液体に対して移動する。

超音波源を液体に対して音響的に接続している固体媒
体は、媒体を通過する伝播路内での超音波エネルギの減
衰を最小限にするように選択されているが、減衰の効果
は、あるエネルギ損失が反射面で観測された以降の定常
波を確立するための反射面の利用によっては、決して強
調されることはない。反射面に垂直に延在する定常波の
節に関してエネルギ伝播の軸の傾きが極めて小さいの
で、発生されるそのような音響上の流れは、微粒子のそ
れら波面への付着に関して、比例した小さな影響を及ぼ
し、そのため可能な限り寛大に取り扱われ得る。

第３図は、向かい合う２対のトランスデューサのそれ
ぞれが、互いの相互作用によって、コラム状の作用領域
内に節パターンを形成するための定常波を作る配置を図
示している。それは、二つの壁ブロック２を示してお
り、その壁ブロック２はそれらの間に、液体が満たされ
て側面が平行にされた領域４を区画形成している。トラ
ンスデューサは、平坦な形状で、例えば鉛・ジルコネイ
ト・チタネイトのセラミック組成物の矩形の発振板6a,6
b,6c,6dが、対称なダイヤモンド形に配列された領域の
向かい合った反対側に配置され、各トランスデューサか
らのエネルギの伝播の軸は、その領域内で入射角θで液
体で満たされた領域の平行な側面にぶつかる。壁ブロッ
ク及び領域内の液体は超音波の伝導体であるが、その壁
の材質内での音速は、先の実施例におけるように液体内
のそれよりも大きく、そのため、固体と液体の境界面で
入射の屈折が生じる。

トランスデューサ6a,6b及び6b,6cのそれぞれは、トラ
ンスデューサ6a,6dからのビームが共通の通路を持ち、
その通路は同様にトランスデューサ6b,6cからの対のビ
ームを持つように対角線上の向かい合った対をなして並
んでいる。総てのトランスデューサは、周波数と出力の
強さが合わされている。対角線上の対のトランスデュー
サ6a,6b及び6b,6cは、それぞれがそのように、壁ブロッ
ク及び液体で満たされた作用領域を通り抜けて延びる定
常波を発生する。これらの定常波は、それぞれが異なっ
た二つの源から発生されるので、既に述べたように、そ
れらは順に起こる位相変化によって作用領域に沿って置
き換えられることができる。ビームの軸は、液体で満た
された領域の大略中心軸平面で交差する。

第２図の実施例と同様に、第３図の配置によって生じ
る節体系は、液体で満たされた領域の境界面に対して小
さな角度が設定されたそれぞれの節波面を持つ二つの節
列と、互いに小さな角度で交差する２列の節波面とを含
んでいる。対角線上反対側に配置された各対のトランス
デューサ（6a,6dもしくは6b,6c）は、トランスデューサ
からの入射エネルギの相互作用によってそれ自身の節列
と、小さな角度で互いに交差する２列の節波面とを作
る。径方向反対側に位置された二つのトランスデューサ
（6a,6dもしくは6d,6c）の各対からの入射エネルギもま
た相互作用して液体で満たされた領域の側面に平行な節
列を作り、軸方向反対側に位置された二つのトランスデ
ューサ（6a,6cもしくは6b,6d）の各対も同様に、入射エ
ネルギが側壁に垂直な節列を作り、この最後の列は、ビ
ーム間の角度が小さいために比較的弱い。

以下に説明するように、採用される超音波の周波数
を、液体の領域を横断する伝播の距離に合わせることは
一つの利点であるかもしれない。この方法において、上
述の節列は反射エネルギによって強化され、固液境界面
での各屈折は、伝播の同一軸を伴う入射ビームのような
挙動を示す。即ち、三つのそれぞれの伝播方向を持つ総
ての交差する入射及び反射ビームが相互作用する。

重ねられた節列の結果としての効果は、第3a図の模式
的に示されている。軸方向の平面及び該平面に垂直な節
列は、軸方向に長手を持った一連の矩形のセルとして表
現され得、斜めの節列はこれらセルの対角線をなす。第
3a図に示されたポテンシャル場内の微粒子に対して、そ
の微粒子への音響力は、総ての節列が交差する各セルの
角で最大である。軸方向の節列は、軸方向に垂直な列よ
りも微粒子に対してより強い力を示すが、これらの力
は、軸方向及びその垂直方向のいずれにおける微粒子に
対しても作用する特徴がある。超音波ビームの入射角
は、液体領域の境界平面に垂直な方向からさらに放射状
に広がるので、セルのアスペクト比は増大し、軸方向の
節列の強さが増大する一方、液体領域の側面に垂直な列
の強さが強められる。このことは好ましくはあるが、ビ
ームの角度が垂直へ増大するので、超音波の内部反射の
増大は限界を課すことになる。

音響エネルギに影響される微粒子は、幾分かの微粒子
は二つの斜めの節列の交差によって残留するかもしれな
いが、大部分は軸方向の節列に付着しようとする。も
し、液体が領域を通過して軸方向へ移動すれば、その中
の微粒子は定常波パターンの中に捕えられ、それらに作
用する音響力が流体の引き付ける力を超えるということ
が規定され、その結果、液体と微粒子との間で相対的な
移動がなされる。そのような移動は、もし、対角線上に
向かい合わされた対のトランスデューサが、定常波を与
えるように合わされた出力周波数もしくは変えられた出
力位相を持っていて、それらが液体領域を通って進行す
る移動を発生すれば、同様に生じさせられる。第３図に
おける二つの定常波の移動速度は同一に保持され、例え
ばトランスデューサ6a,6d間の定常波が左から右へ移動
するように、そしてトランスデューサ6b,6c間の定常波
が右から左へ移動するように調整される。したがって、
二つの斜めの定常波の節の交差は、軸方向に、領域４の
側面に平行に下方へ移動する。

第４図では、第３図に関して述べられた体系が、キャ
ピラリチューブ内の血液サンプル内の微粒子を集中させ
るための装置に適用されて示されている。アルミニウム
の結合ブロック12は、側面が平行にされた狭い領域14を
規定し、その領域には、ポリスチレンのような音響的に
透明な物質からなるキャピラリチューブ16がぴったりフ
ィットして挿入される。薄い水様なフィルム18がそのチ
ューブをブロックに結合させる。二つのブロックは、そ
れらの間の中心軸平面及びそれに垂直な平面に関してそ
れぞれ対称であり、２対の超音波トランスデューサ20a,
20b,20c,20dがぴったり結合される斜面を持っている。
トランスデューサの配置は、第３図に関して説明した配
置に対応している。第４図に破線で示されているのは、
トランスデューサ間での超音波発射のビーム進路22,24
であり、それによって、キャピラリチューブ内のサンプ
ル内で定常波の干渉パターンが作られる。固液境界面で
の屈折は以下の式によって規定される： 上記式においてV_SおよびV_Lは、それぞれ固体内および
液体内での音速、θ_Ｓは入射角、θ_Ｌは屈折角である。
結合ブロック材としてのアルミニウムと水の液体媒体と
の実施例に関して、これらの材質内での音速はそれぞれ
6400m/sと1500m/sであり、もしトランスデューサが領域
の壁に45゜の角度で設置されていれば、水媒体を通る伝
播は壁に対して80.5゜の方向となる。したがって、領域
の幅を超えて、干渉パターンによって占められる作用の
共通領域が、超音波エネルギの通る全体の部分の、はる
かに最も大きな部分を占める。既に説明したように、定
常波に前進する転置を与えることによって、またはチュ
ーブをブロックの間で軸方向に移動させることによっ
て、あるいはその両方によって、音響エネルギの影響を
受ける微粒子がチューブ内の液で満たされた領域の一方
端に集められ得る。

第５図の本発明に係る装置のさらに他の実施例は、第
２図の実施例に似た配置を示しており、その配置は二つ
のトランスデューサ30が、液で満たされたコラム状の作
用領域32の一方側に配置して用いられ、各トランスデュ
ーサは、領域の対向側面からの反射によって定常波を作
る。このトランスデューサは、例えばアルミニウムの結
合ブロック上に、互いにある角度をなす面36上に設置さ
れ、その面の角度は都合よく90゜である。結合ブロック
の出口面は、ジグザグ形状に形成されて、それぞれの軸
に直角なビームのための小さな出口面38を備えている。
反射体40は、これはタングステンプレートでよいが、同
様にジグザグの形状に形成された小さな反射面42を持っ
ている。対向したそれぞれの面のその小さな面38,42
は、それらを通過するもしくはそれらに入る入射ビーム
の軸に直角である。反射ビームはこのようにして、小さ
な面に入るビームと同軸にプレートの各小さな面42から
反射されて、その共通軸に直角に横たわる節を持った定
常波を形成する。この効果が達成されるためには、結合
ブロックの各小さな面は、組み合わされたそのトランス
デューサから半波長の整数倍の長さで占められ、且つ液
体領域を横断して対向する平行な小さな面間の距離が、
同様に半波長の整数倍に等しくなる。

クラリティ（clarity）のためには、その数字はトラ
ンスデューサの幅の部分のみの定常波を示すが、しかし
それは、各定常波の幅が、実質的にトランスデューサが
発生するビームの幅と同じであると理解されるであろ
う。したがって、液体で満たされた領域32内では、前述
の実施例と同様に、軸を横断する定常液体系を含む長さ
を持って延在する実質的な部分の区域があり、且つ音響
的に透明な容器44は、領域に沿って移動できて波体系を
横断して通りぬけ、チューブ内の液体中に浮遊した微粒
子を集中させる。

音響ビームが通り抜けるので、あるいは伝播の軸に垂
直な固液境界面から反射されるので、これらの境界面で
はシェア（shear）波は発生しない。示された領域を採
用することによって、強い共鳴体系が確立され得、液体
中で高いエネルギ密度を示す。互いに直角となる伝播の
軸を配置することによって、幾何形状は簡明化され、い
ずれのトランスデューサからの放射も通過して伝達さ
れ、あるいはトランスデューサに平行な小さな面によっ
て反射される。いずれにしても、伝播の軸を異なった角
度に配置することは可能である。

第５図で説明した体系の操作は、それぞれの伝播の軸
に直角な節を持った、単に二つだけの節列が形成される
方法によって可能である。併し乍ら、もし、それが要求
されるならば、二つのトランスデューサの周波数は異な
っているべきである。もし、そのトランスデューサが共
通の周波数を持っているならば、二つの定常波は相互作
用してさらに節列を形成し、その節列では、節がそれぞ
れの伝播軸の間の角度の２等分線に平行になる。この効
果を避けるための周波数の相違は、例えば0.1％のよう
に、単に小さいことが必要である。（同様の考慮は、勿
論、第３図に示された配置においても適用される。） 第５図での定常波のそれぞれは、それが反射によって
形成されるため、液体で満たされた領域では静止してい
る。ちょうど説明した付加的な節列は、二つの超音波源
の相互作用に起因して生ずるが、チャンネル内での共鳴
条件のために、それらのいずれも、この列のコントロー
ルされた動きを発生することはできない。もし、相対的
な移動が、サンプルキャリアと定常波パターンとの間で
キャリアの移動なしに得られるならば、コントロールで
きる二つの周波数源の出力の相互作用によって、第１次
定常波が確立されることが要求される。このことは第４
図を参照して既に述べられており、そして第６図は、そ
の配置の変形として第５図の特徴の幾つかを採用した配
置が示されている。第５図を参照して既に説明した部分
は、同一参照番号によって示されており、それらの鏡像
関係にある対応部分は、添字“a"によって同一に示され
る。前の図の結合ブロック34に加えて、第２の同一の結
合ブロック34aが、コラム状の領域の中央長手軸の反対
側の第１の結合ブロックに対して鏡像関係に配置されて
いる。前述のように、液体で満たされた領域32内での共
鳴のために、トランスデューサ30,30aからそれらの小さ
な発振面38,38aまでの距離は半波長の整数倍に等しく、
同様に、チャンネルの対向側面上の結合ブロックの向か
い合った小さな面の間が半波長の整数倍となる。領域32
内での定常波パターンは、本質的に第５図に見られるも
のと同一であるが、各定常波は二つの源30,30aによって
発生されるので、各定常波の節列はトランスデューサの
出力周波数のコントロールによって動かされてもよく、
好ましくはヨーロッパ特許公報Ａ−0173435号に説明さ
れた、周波数変換が要求されない方法によるのが良い。
併し乍ら、もしトランスデューサのコントロールによっ
てこの移動を得ることが要求されるならば、一般にそれ
は、チャンネル内での共鳴度が制限されることが望まし
い。即ち、もし共鳴が極めて強い場合には、第１のビー
ムの節列を移動させようとするどんな試みに対してもビ
ームの多重反射が作用するために、節列がその位置に固
定されてしまうかもしれない。

共鳴体系の発達は、液体で満たされた領域を間に持っ
て対向した結合ブロック上に、傾斜線上の反対側に対を
なして配置された四つのトランスデューサを備えた第４
図でのそれと本質的に同様の配置形状を示す第７図を参
照して考えることができる。もし、ただ一つのＡでのト
ランスデューサからの出力が考えられ、傾斜線上反対側
のトランスデューサへの入射ビームがＤから反射されて
戻るという事実が根拠となるならば、第１次定常波は液
体領域内で軸BC上に形成される。併し乍ら、Ａからの入
射ビームは、その結合ブロックの出口面上のＢから部分
的に反射され、この反射エネルギは、そのブロックの受
動的に作用している他のトランスデューサによって、Ｅ
から戻される。反射エネルギは、傾斜線上反対側に配置
されたトランスデューサの第２の対から、Ｂ及びＧを通
って部分的にＦへ、またＥとＦの間を通って伝達され、
そして同時に、反対側の傾いた定常波体系は液体領域内
で軸BG上に形成される。同様に、第２ブロック内でＤか
らＣへ移動するビームの反射が、液体内で軸CH上にさら
に定常波体系を形成し、さらに同様の定常波体系が、液
体内で軸HIから、Ｈでの内部反射によって形成される。
その効果は、共鳴度が与えられたブロック内での付加的
内部反射によって、このようにして元の軸BCの各サイド
へ広がり、ブロック内での反射は、第２次及びさらに高
次の体系の衰頽が、即座にそれらを事実上非効果的なも
のにすることがないように、十分に大きなものである。

共鳴する反射体系に関して重要なことは、四つのトラ
ンスデューサのどの一つでもが、液体チャンネル内で交
差する定常波体系を作れることであり、勿論、その結果
の節体系は、ブロック間の液体で満たされた領域に沿っ
て移動することはできないが、その他のトランスデュー
サは受動的な反射体によって交換可能であるということ
が、ちょうど述べられた。実際には、複数のエネルギ源
までも備えて完全な共鳴体系として第７図に示されたそ
の配置は、移動可能な節体系を与えることは不可能で
り、そのような体系を得るためには共鳴度を限ることが
必要となる。

説明の簡明化のために、図面は一定平面内の配置にし
て示している。併し乍ら、操作の方法は、更に別のトラ
ンスデューサの対が、他の軸方向へ延びる一つの平面も
しくは複数の平面内でそれらのビームの軸を持つブロッ
ク間領域の中心軸の回りに配置される、３次元の形状に
も同様に適用できることが理解されるであろう。このよ
うに、第４及び６図の実施例においては、図示された定
常波の軸に直角な放射状平面内で、軸上に定常波を作る
さらに２対のトランスデューサがあってもよく、そのこ
とによって、四つのトランスデューサは、液体領域の軸
方向下側の部分の回り及び上側の部分の回りに配置され
る。トランスデューサのさらに別の対が必要であれば、
勿論付加することができる。同様に、第４図に従う直径
方向の断面を持って、円錐台状の発振面を持つ二つのト
ランスデューサを備えることも可能である。

第８及び９図は、３次元形状の節列を持った、本発明
に係る装置の他の実施例を示している。トランスデュー
サ50,50aは、液体で満たされた領域54の反対側の結合ブ
ロック52,52a上に設置され、その結果、それらの間の領
域のメインの長手軸Ａに対して傾いた同軸の上に、対向
した対が形成されている。ブロックは領域のこれら二つ
の側面に接しており、第６図の実施例に類似して、トラ
ンスデューサからの超音波エネルギの伝播の軸に対して
は直角で、一連の平行な入口及び出口面56,56aを持って
いる。領域内の傾斜軸上のトランスデューサによって形
成される節体系は、好ましくは非共鳴体系である。液体
で満たされた領域54の対向側面を横断する境界は平坦な
容器壁58,58aであり、領域の長手軸及び、傾斜した定常
波体系の軸に平行に延在している。壁58上にあるのは、
強く共鳴する定常波を与えるように作用するトランスデ
ューサ60と反射体60aである。

トランスデューサ60,60aの対による定常波体系は、そ
の共鳴の故に高い音響力を発生することができ、その節
に微粒子を密に集結させる。併し乍ら、節平面に平行な
音響力の傾斜は、微粒子が領域に沿ってより弱い動きで
移動する程の比較的小さなものであり、第１グループの
トランジスタ50,50aの共鳴しない定常波体系である。定
常波体系は異なった平面内で作用しているので、複合さ
れた体系の節の交差は長手軸Ａに対して傾けられるが、
もし、作用を受ける材質が、第８及び９図に示されてい
るような、比較的小さな断面形状の容器64内に入れられ
ていれば、過程の結果においてどんな材質の効果をも持
つ必要がない。

二つの節体系のためのトランジスタ（50,50a及び60,6
0a）が、異なった平面内での作用領域の回りにグループ
にされるので、効果的な作用領域は、互いの領域に侵入
する二つの体系の要素を持たない長手方向に無限に延在
され得ることは気付かれるかも知れない。

参照例は、コラムの対向端部で且つ同軸のトランスデ
ューサに関して、図示された配置が、コラム状の配置に
比べて利点を有しているように、既に有利にされてい
る。これらは、以下のように要約される。定常波を形成
する二つの相対する伝達の間の除去できない不均衡から
生ずる音響上の流れは、大部分が放射方向へ、即ち、コ
ントロールされた動きを横切る方向へ向けらけれるの
で、より高い力と周波数が用いられても良い。また、結
合ブロックがトランスデューサのためのヒートシンクと
して作用するので、コラムの端部の空気領域が、キャピ
ラリチューブのための同軸上の配置をとるように形態を
とるという問題を回避でき、そして、結合ブロック材は
また、遠い場と組み合わされる実質的に平坦な節パター
ンがよりコンパクトな形状を達成できるように、近い場
の効果が勝る距離を短くしてもよく、そして最後に、実
用的な利点は、いずれかの軸方向からの作用領域への出
入りに対して、トランスデューサが妨げとなることはな
く、と同時に、サンプルチューブが軸方向と一致してい
ることは問題とならない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−503370（ＪＰ，Ａ) ＩＢＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｓ ｃｌｏｓｕｒｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ 25 巻（１号）（1982）Ｐ192〜193

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波エネルギ発生手段が少なくとも二つ
   の超音波定常波を形成するように配置された定常波体系
   によって液体コラム中の微粒子材の動きをコントロール
   するための装置において、上記定常波体系は、上記発生
   手段が、コラムの長手軸に対して傾いて延びる上記定常
   波の少なくとも一つの軸と共に、該コラムの長手軸と異
   なる方向で該コラムを横切るように交差して延在する伝
   播の軸を備えた上記定常波を形成し、且つそのことによ
   って定常波の節がコラム内で交差を有して該交差が該長
   手軸に対して角度がつけられていることを特徴とし、さ
   らに、定常波の節の交差とコラム内で微粒子を含んでい
   る液との間でのコラムに沿う相対的移動のための手段を
   備えていることを特徴とする装置。
2. 【請求項２】上記発生手段は、コラム軸に対して等しく
   かつ反対側に傾斜する軸を伴って、該コラムと交差して
   延びる定常波を作るように配置されている請求項１に記
   載の装置。
3. 【請求項３】それぞれ一つの源からの反射によって各定
   常波の全体もしくは主要部を作るための手段を含んでい
   る請求項１または２に記載の装置。
4. 【請求項４】一つの源からの反射によって二つの交差す
   る定常波を作るための手段を有している請求項２に記載
   の装置。
5. 【請求項５】コラムの軸方向平面に相互に角度が付けら
   れて且つ別々に横たわる伝播軸を持つ二つの定常波を作
   るための手段を含んでいる請求項１または２に記載の装
   置。
6. 【請求項６】少なくとも一つの定常波を作るための発生
   手段とコラムとの間に、上記定常波の伝播が通過する方
   向に対して斜めに設置された発振面を持っている結合手
   段があり、該結合手段は、その中での音速が、コラムの
   液体内での音速よりも実質的に高い媒体である前記請求
   項のいずれか一つに記載の装置。
7. 【請求項７】少なくとも一つの定常波を作るための発生
   手段とコラムとの間に、上記定常波の伝播の方向には垂
   直であるが、コラムの長手軸に対しては傾いていた発振
   面を持っている結合手段がある前記請求項のいずれか一
   つに記載の装置。
8. 【請求項８】少なくとも二つの超音波定常波からなる定
   常波体系によって、液体コラム内で微粒子材の移動をコ
   ントロールする方法において、上記少なくとも二つの定
   常波が、コラムの長手軸と異なる方向で該コラムを横切
   るように交差して延在する伝播の軸を、少なくとも一つ
   の該軸がコラムの長手軸に対して傾いた状態で有し、そ
   のことによって、定常波の節がコラム内で交差を有し、
   該交差は上記長手軸に対して角度がつけられ、且つコラ
   ム内の定常波の節の交差と、その中に微粒子を含んでい
   る液体との間でコラムに沿う相対的移動が行われ、と同
   時に、該液中の微粒子が上記交差の領域内に保持される
   ことを特徴とする方法。
9. 【請求項９】コラム軸に対して傾いた軸に沿って伝播さ
   れた定常波または少なくとも一つの定常波が、コラム内
   の音速よりも実質的に大きな音速を持つ媒体を通っての
   コラム内への伝達によって、コラム軸に垂直な方向にさ
   らに接近して横たわる軸方向に屈折される請求項８に記
   載の方法。
10. 【請求項１０】上記二つの定常波は、コラムの軸方向平
    面に相互に角度が付けられて且つ別々に横たわる伝播軸
    を持つ請求項８または９に記載の方法。
11. 【請求項１１】上記定常波は、コラム軸に対して反対側
    に等しく傾斜し、コラムと交差して延在する伝播の軸
    を、それぞれ有する請求項８ないし10のいずれかに記載
    の方法。
12. 【請求項１２】各定常波は、それぞれ一つの源からの反
    射によって全体もしくは主要部が作られる請求項８ない
    し11のいずれかに記載の方法。
13. 【請求項１３】二つの交差する定常波は、一つの源から
    の反射によって作られる請求項11に記載の方法。
14. 【請求項１４】上記二つの定常波のうちの一方は、コラ
    ムに垂直な軸持つと共に該コラム内で共鳴モードで操作
    され、且つ上記定常波のうちの他方は、コラム軸に対し
    て斜めの軸を持つと共に該コラム内で非共鳴モードで操
    作され、第２定常波の節は、それらと共に微粒子を運搬
    すべくコラムに沿う移動が与えられる請求項８ないし10
    のいずれかに記載の方法。