SAWストリーミングについて

ＳＡＷストリーミングについて
－SAW による液体流動・飛翔・霧化・発熱－
塩川 祥子†
近藤 淳‡
SAW Streaming
－Liquid streaming, jetting, atomizing and heating－
Showko SHIOKAWA†
Jun KONDOH‡
あらまし 20 年前に我々は、Rayleigh タイプの弾性表面波（R-SAW）伝搬面上に水を負荷すると水が流動、飛翔、
霧化することを見出した．これを SAW ストリーミングと呼び、この現象の実験的・理論的解明および応用について
研究を行ってきた．また、SAW ストリーミングを用いて液滴振動、非線型振動及び局所発熱効果などの研究も行っ
てきた．本稿では、SAW ストリーミング研究開始から 20 年を経過したので、一つの区切りと考えこれまでの研究を
まとめた．
Abstract
Twenty years ago, we observed various liquid motions such as streaming, droplet formation and atomization
on the surface of SAW propagation substrate. We call the phenomena SAW streaming and study experimentally and
theoretically. Nonlinear behavior in a water droplet vibration and heating induced by the SAW streaming is also investigated.
In this paper, we summarize the SAW streaming investigation.
Keyword leaky surface acoustic wave，SAW streaming, droplet formation, atomization, nonlinear vibration, heating
1. は じめ に
（ １ ） 1988 年 か ら ２ ０ 年 を 経 て
レ ー リ ー 弾 性 表 面 波 (Rayleigh SAW ； Surface
Acoustic Waves)は 、伝 搬 面 上 に 液 体 が あ る と 漏 洩 SAW
と な り 、 数 波 長 で SAW の エ ネ ル ギ ー は 液 体 中 に 放 射
さ れ る 。128 度 回 転 Y 板 X 伝 搬 LiNbO 3 基 板 ５ ０ MHｚ
で は 、約 0.8mm (10λ ) 伝 搬 す る と SAW エ ネ ル ギ ー は
液 体 中 に 80％ 漏 洩 す る １ ）。こ の 局 所 的 な エ ネ ル ギ ー 放
出は、液体に何か変化を生じさせるのではないかと予
想 し 顕 微 鏡 を 覗 き な が ら 実 験 を 行 っ た 。す る と 液 体 は 、
①気泡と共に溶液がぐるぐる回転し，②流動し、③飛
図 1 漏洩 SAW による水中への放射
翔 し 、あ る い は ④ 霧 化 し た 。こ の 現 象 を 観 察 し た の は 、
今 か ら ２ ０ 年 前 の 1988 年 で あ る
２ ､3）
。 こ れ を SAW ス
（２） ＳＡＷストリーミング の由来
レ ー リ ー 波 が 漏 洩 SAW と な り 液 体 中 へ の 縦 波 放
トリーミングとよび、現象の解明と応用の研究 を開始
した
11~19)
4~10)
。その後この現象を用いた液滴の非線形振動
や局所的な発熱
20)
の 研 究 へ と 発 展 さ せ た 。今 回 ２
射（ 放 射 角：レ ー リ ー 角 θ R ）は よ く 知 ら れ た 物 理 現 象
21）
で あ る 。（ 図 1） し か し 、 エ ネ ル ギ ー の 伝 搬 を 示 し
０年を区切りに、これまでの研究結果や課題などを纏
ていても液体の移動は生じない。波動の屈折現象だか
めてみた。
らである。液体流動が生じるには液体を動かす力（体
積力）が存在する。それは何か？超音波縦波による液
体 流 動 は Acoustic Streaming
と し て 良 く 知 ら れ 、エ ネ
ルギーの伝搬に伴う損失が液体に体積力を生じ進行方
向に流動する
22 ）
。 そ こ で SAW の 放 射 に 伴 う 流 動 は 、
SAW の 漏 洩 に よ る エ ネ ル ギ ー 損 失 が 原 因 と 考 え た 。基
板 境 界 で 発 生 す る と 推 定 し SAW ス ト リ ー ミ ン グ と 呼
んだ
4）
。
（ ３ ） SAW ス ト リ ー ミ ン グ の 特 徴
縦波超音波における液体の流動、撹拌、霧化 、キ
ャビテーションなどの現象は古くから研究され様々な
応 用 機 器 も 開 発 さ れ て い る 。SAW も 超 音 波 な の で 同 じ
現 象 が 生 じ る が 、大 き な 特 徴 が あ る 。そ れ は 、SAW が
高周波のため、局所的な現象となることである。その
図2
微小液滴の飛翔実験。
ため液体の量・種類や圧電基板の表面状態・構成に大
き く 依 存 す る 。ま た 、SAW 入 力 電 圧・周 波 数 依 存 性 も
大 き い 。こ れ ら は さ ま ざ ま な 非 線 形 現 象 を 伴 っ て い る 。
２ 節 で は 、SAW ス ト リ ー ミ ン グ 現 象 の 特 徴 と 実 験 結
果 を 示 す 。 ３ 節 で SAW ス ト リ ー ミ ン グ 力 の 検 討 、 ４
節で非線形振動と発熱現象、 5 節で今後の展望・課題
を示す。
2. SAW ス ト リ ー ミン グ現 象
図3
親水性基板上流動実験。
（１）特性に影響を与える要素
高 周 波 レ ー リ ー SAW の 液 体 中 縦 波 放 射 は 、局 所 現
象であり次の要素が大きく影響する。
①液量：微量と中間・無限大量、②液体種類；水、
有 機 溶 媒 、油 、高 粘 性
③ SAW 基 板 お よ び 構 成：異 方
性、基板面内等方性、層状構成、親水性、疎水性など
の基板表面状態
③入力電圧・周波数および変調周波
数依存性。
例えば、微小水量、基板表面疎水性の場合、入力電
圧により、流動・飛翔・霧化
23~25)
図4
撥水性基板上の一部親水性金膜上の振る舞い。
が生じる。図２は、
128 度 回 転 Y 板 X 伝 搬 LiNbO 3 基 板 、 周 波 数 50MHｚ
基 板 表 面 疎 水 性 で 液 滴 約 10μ ｌ 、入 力 ２ ５ Vp-p、パ ル
ス 変 調 （ 1Hz） で の 飛 翔 の 様 子 で あ る 。 一 方 、 基 板 表
面が親水性の場合、流動しながら液膜を形成し複雑な
波 動 と な る ．図 3 は 、図 ２ の 実 験 と 同 じ 基 板 、SAW 励
（２）液量
①微少量
振 電 圧・周 波 数 で 連 続 駆 動 、液 滴 は や や 多 く 約 20μ ｌ
SAW の エ ネ ル ギ ー が 効 率 よ く 微 小 体 積 中 に 移 動 す
基 板 表 面 を 親 水 性（ Al 蒸 着 膜 ）と し 、さ ら に 微 量 の 中
るため、きわめてダイナミックな液体挙動が観察され
性洗剤を用いて水の表面張力を小さくしたときの液膜
ることは、図２、３、４でその一端を示した。図５の
形 成 と 干 渉 縞 を 示 す 。 液 膜 は SAW 進 行 方 向 に ゆ っ く
よ う に 液 滴 を 基 板 上 に 配 置 し 両 側 IDT （ Interdigital
り移動する。次に表面を撥水性とし一部金膜上親水性
Transducer）励 振 す る と 、微 小 液 滴 振 動 が 誘 起 さ れ る 。
と し た 。図 ４ の よ う に 金 膜 上 ま で 液 滴 は 移 動 し 、 SAW
球 状 液 滴 の 固 有 振 動 や 高 調 波 、 1/2、 1/3 振 動 な ど の 非
入射付近で液膜に加え飛翔液滴粒 子が発生している。
線形振動を観測できる。また、図６のように微小量液
粒 子 は 反 力 に よ り 形 成 さ れ た も の で あ ろ う ８)。 こ の ３
上 の 鋼 球 も SAW 入 力 制 御 に よ り 搬 送 さ れ る
26~28)
。
例 か ら 推 測 さ れ る よ う に 、SAW ス ト リ ー ミ ン グ 現 象 に
②無限量
よる液滴駆動にはさまざまな要因が関連している。そ
液 中 に 挿 入 し た SAW 基 板 が そ れ に 対 応 す る（ 図 7）。
の中でも基本的な液量と基板状態について以下に示す。
IDT
Liquid drop
Leaky-SAW
IDT
Au/Cr
空
IDT
気
ｚ
R
Rayleigh-SAW
128゜YX-LiNbO3
図5
θ
ｚ
R
水
両側励振による微小液滴の振動。
ｘ
θ R =23˚
（ a）
θ i
図6
ｚ
微小液滴上鋼球の搬送。
θ
R
基板の入射角θi により放射の様子が異なる。図 7
（ b）は 水 面 に 平 行 ，（ c）は 水 面 で 全 反 射 ，（ ｄ ）は θ i
＝ π /４ ＋ θ R / 2 の と き 基 板 に 平 行 な 波 が 発 生 す る 様 子
ｘ
を示す。
図 8 に ，直 角 入 射 で あ っ て も ，SAW ス ト リ ー ミ ン
（ b） θi=θ R =23˚
グの反力により液体が上昇し親水性にような接触角と
な る こ と を 示 し た ． こ の よ う に ， １ ） 基 板 / 水 /空 気 の
ｚ
境界領域で放射力とその反力が生じる。基板が親水
θ i
性・疎水性で液面形状が異なり放射角・放射力・反力
で複雑な現象を生じる。２）液体中に縦波放射され た
あ と Acoustic Streaming が 生 じ る 、 こ の 二 つ の 現 象 が
同時に連続的に生じる。
溶液中での実験として、生体試料のマニュピュレー
シ ョ ン 実 験 が 報 告 さ れ て い る 。 29 ～ 31)
（ c） θi>θ R =23˚
（３）基板表面の親水性・疎水性及び放射角
ｘ
ｚ
接触角９０度で基板の親水性と疎水性を区分す
る 。 放 射 角 θ R （ レ ー リ ー 角 と も い う ） は 、 SAW 伝 搬
θ
速 度 V R と 溶 液 の 縦 波 音 速 比 (sin - 1 V W / V R )で 示 さ れ る 。
i
水 の θ R は 23 度 で あ る 。 接 触 角 が 67 度 以 上 な ら レ ー
リ ー 角 方 向 に 放 射 さ れ る 。親 水 性 が 強 く 67 度 以 下 に な
ると図 7 に示したように基板 に平行な波や液面反射波
が発生する
32)
ｘ
。
基板が疎水性であっても、入力が大きくなると反力
の た め 水 が 上 方 に 押 し 上 げ ら れ 、接 触 角 が 小 さ く な る 。
これにより親水性のように振る舞い、微小液滴や霧化
が発生する。
（ d） θi=π/4+θ R /2=55.5˚
図7
基 板 の 水 中 入 射 角 θ i と放 射 の様 子 。
Normalized Intensity
IDT
空
気
Fx ’
10
1
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
2
1/2
0
図9
o
Temperature (C)
3. SAW ス ト リ ー ミン グ力 の検 討
Streaming
3
液 滴 の 非 線 形 振 動 。入 力 電 圧 6V P - P ，f d =78Hz。
30VP-P,
20VP-P,
10VP-P,
120
SAW ス ト リ ー ミ ン グ に よ る 液 面 上 昇 。
Acoustic
2
Fs
水
図8
1
5/2
Frequency f/fd
Fz
Fx
3
3/2
100
の 解 析 で 用 い ら れ る 、
Navier-Stokes と 連 続 の 式 を 漏 洩 SAW に 適 用 し た
4, 6)
対流項といわれるρ（ｖ・∇）ｖは、時間平均しても
80
60
10%
40
0
40
零にならない。速度ｖに空間的な勾配が存在するとス
ト リ ー ミ ン グ が 発 生 す る 。 こ の 項 に 漏 洩 SAW の 変 位
Acoustic Streaming や 重 力 に 比 し て か な り 大 き い 。放 射
圧を調べた実験値とオーダーが一致した
4)
。対流項は
非線形である。
80%
20
。
分布を代入し、力を算出した結果が表 1 である。
25VP-P
15VP-P
5VP-P
図 10
80
120
Time (s)
160
グリセリン溶液による温度制御実験。電圧
を 5～ 30V P - P ， Duty 比 を 10～ 80％ ま で 変 え て 制 御 。
が温度に変換されたと解釈した。液量、液体種を変え
ると局所高温が得られる。
図 10 は 、 グ リ セ リ ン 溶 液 に よ る 温 度 制 御 結 果 を 示
4. 非 線形 現象
す。
①液滴振動とダイナミクス
11~19)
図 5 に 示 す 両 側 IDT 励 振 に よ り 液 滴 振 動 を 再 現 性 良
く 得 ら れ る 。液 滴 は 固 有 の 振 動 数 を 持 つ が 、SAW の エ
5. 今 後の 展望 と課 題
本 稿 で 、SAW ス ト リ ー ミ ン グ 現 象 に よ り 局 所 的 な 溶
ネルギーが大きくなると、高調波やサブハーモニック
液流動、液滴ダイナミクスが容易に生じることを示し
ス の 非 線 形 振 動 が 励 起 さ れ る 。図 ９ に そ の 一 例 を 示 す ．
た。また、影響を与える要因が多々あり、それらはお
再現性が良好で非線形振動の研究に適した系である。
互いに関連しあう。このような要因にたいする検討は
②液滴の加熱
20)
十 分 で な い 。 今 後 の 課 題 で あ る 。 こ れ ま で SAW ス ト
SAW 入 力 を 増 大 す る と 液 滴 は 霧 化 す る 。そ の と き 水
の 液 温 は 約 ７ ０ ℃ で あ っ た 。SAW の エ ネ ル ギ ー の 一 部
表 1
リーミングが示す基本的な現象の解明
33)
に終始し応
用するに当たっての構成はほとんど考慮していない。
SAW ス ト リ ー ミ ン グ F 1 s、 SAW 放 射 圧 Ω s、 ア コ ー ス テ ィ ッ ク ス ト リ ー ミ ン グ F 1 a、 放 射 圧 Ω a の 理 論
式と計算値。
SAW streaming F 1 s
Acoustic streaming F 1 a
理論式
ρ 0 (1+α 1 2 ) 3/2 k i ω 2 A 2
ρ 0α W2ω 2A2
SAW radiation pressure Ωs
Acoustic radiation pressure Ωa
1/2(ρ 0 (1+α 1 2 ) k i ω 2 A 2 )
1/2(ρ 0 α W 2 ω 2 A 2 )
計算値
2.57 x 10 6 N/m 3 = 260 G 0 ρ 0
1.4 x 10 3 N/m 3 = 0.14 G 0 ρ 0
3.5 x 10 2 N/m 2
0.5 x 10 2 N/m 2
計算に用いた値
f 0 = 50 (MHz), k i = -1370 (m - 1 ),α 1 = 2.47,
の密度
α W =14.2 (m - 1 ) , A = 10 (Ǻ), G 0 = 9.8 (m/s 2 ) :重 力 加 速 度 ， ρ 0 ： 水
収 束 音 場 を 利 用 す る た め の SAW 電 極 の 工 夫 や 複 数 の
祥 子 、SAW ス ト リ ー ミ ン グ に よ る 水 滴 の 非 線 形
SAW デ バ イ ス 集 積 化 に よ る 多 機 能 化 、圧 電 基 板 上 に 溶
振 動：日 本 音 響 学 会 講 演 論 文 集 1-2-7(1994)1089
液を介して次の基板に超音波を伝達する層状配置など、
実際の使用にあった構成の検討が今後なされるであろ
う
34)
。
山 本 敬 央 、松 井 義 和 、塩 川 祥 子 、SAW
[12]
ストリーミングにより励起された水滴振動の
検 討 ： 信 学 技 報 US95-61(1995)9
超音波振動子によ る化学作用・霧化・洗浄・攪拌・
[13]
Showko Shiokawa, Yoshikazu Matsui,
溶 接 ・ 加 工 な ど を SAW ス ト リ ー ミ ン グ に 適 用 す る こ
The
と が 考 え ら れ て い る 。SAW を 用 い る と 反 応 場 が 局 所 的
Application to Fluid Devices: Mat. Res. Soc.
になることが特徴であり、それを生かした装置の開発
Symp. Proc. Vol.360(1995)53
と利用が望まれる。その際新しい現象も見出されると
期待している。
Dynamics
of
SAW
Streaming
and
its
塩 川 祥 子 、山 北 滋 之 、松 井 義 和 、SAW
[14]
ストリーミング励振された液滴振動による液
体 の 粘 性 、表 面 張 力 、 接 触 角 の 測 定 ： 信 学 技 報
文
[1]
献
US97-75(1997)13
森 泉 豊 栄 、中 本 高 道 、菊 池 恒 男 、交
[15]
Shigeyuki
YAMAKITA,
Yoshikazu
差指電極水中トランスジューサ用圧電体の選
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塩 川 祥 子 、上 田 年 彦 、森 泉 豊 栄 、SAW
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長 友 晋 介 、松 井 義 和 、塩 川 祥 子 、SAW
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ス ト リ ー ミ ン グ を 用 い た 微 小 ポ ン プ の 研 究：日
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