JP4507239B2 - 弾性表面波を利用した加熱装置 - Google Patents
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Description
一方、SAWを用いると、液体を流動、飛翔あるいは霧化させることができる(非特許文献1、2)。このような現象は、SAWが励振されている間のみ生じるので、応答性がよく、様々な分野への応用が期待されている。しかし、これまでの研究では上記現象のメカニズムについて十分に検討がされていない。
また、印加電圧の上昇に伴って基板表面温度が上昇する現象が認められた。これによって印加電圧によって加熱温度を制御できるものと考えられた。
さらに、圧電体基板上に保持した水が霧化する程度まで印加電圧を大きくしても、基板温度が100℃を超えることはなかった。この結果は、加熱対象を沸騰させることが好ましくない場合の加熱手段としてSAWが有効であることを示すとともに、SAWの加熱が温度安定性に優れていることを意味する。
さらに検討を進めたところ、SAWによる加熱効果は極めて短時間で得られることが判明し、瞬間的な温度上昇が必要な用途に対するSAWの利用価値の大きさが示唆された。
更には、SAWによる加熱停止後の温度低下は急峻であり、瞬時に加熱前の温度状態へと回復する現象が認められた。これにより、SAWを利用した加熱方法によれば加熱対象の迅速な昇温及び迅速な降温が可能になることが判明した。従って、温度変化を伴う一連の反応、特に周期的に(及び/又は連続的に)温度を変化させることが要求される一連の反応における加熱手段としてSAWが極めて有効であると考えられた。
本発明は以上の知見に基づいて完成されたものであって、以下の構成を提供する。
[1] 弾性表面波発生器を備える、加熱装置。
[2] 圧電体基板と、該圧電体基板上に形成されたすだれ状電極と、を有する弾性表面波発生器を備え、
前記圧電体基板の一部に加熱反応部が形成されている、ことを特徴とする加熱装置。
[3] 前記加熱反応部を挟むように、前記すだれ状電極が複数形成される、[2]に記載の加熱装置。
[4] 前記加熱反応部が、前記圧電体基板の表面に形成された凹部からなる、[2]又は[3]に記載の加熱装置。
[5] 圧電体基板と、該圧電体基板上に形成されたすだれ状電極とを有する弾性表面波発生器と、
弾性表面波を伝搬可能な材料からなり、直接又は他の弾性表面波伝搬材料を介して前記圧電体基板に接続した状態に配置される加熱反応器と、
を備える加熱装置。
[6] 圧電基板と、該圧電体基板上に形成された電極とを有し、バルク波を発生する圧電素子と、
直接又は他の伝搬材料を介して前記圧電素子に接続した状態に配置される弾性表面波伝搬基板であって、前記圧電素子が発生するバルク波が伝搬する領域に該バルク波を弾性表面波に変換する変換手段を有し、且つ生じた弾性表面波が伝播する領域に加熱反応部を有する弾性表面波伝搬基板と、
を備える加熱装置。
[7] 前記すだれ状電極へ印加する励振周波数、電圧、及び励振時間を調節する高周波入力手段を備える、[2]〜[5]のいずれかに記載の加熱装置。
[8] 前記高周波入力手段は、加熱装置が第1状態のときに第1励振周波数、第1電圧、及び第1励振時間で前記すだれ状電極に印加し、加熱装置が第2状態のときに第2励振周波数、第2電圧、及び第2励振時間で前記すだれ状電極に印加する、[7]に記載の加熱装置。
[9] 加熱装置が前記第1状態及び前記第2状態と異なる一以上の状態になることができ、各状態において前記高周波入力手段は、該状態に特有の励振周波数、電圧、及び励振時間で前記すだれ状電極に印加する、[8]に記載の加熱装置。
[10] 冷却器を更に備える、[2]〜[9]のいずれかに記載の加熱装置。
[11] 対象に弾性表面波を伝搬させる工程、を含む、前記対象を加熱する方法。
[12] 第1周波数、第1振幅、及び第1励振時間を有する第1弾性表面波を対象に伝搬させる第1工程、
前記第1工程の後に、第2周波数、第2振幅、及び第2励振時間を有する第2弾性表面波を前記対象に伝搬させる第2工程と、
を含む、前記対象を加熱する方法。
[13] 前記第1工程と前記第2工程との間に、弾性表面波を前記対象に伝播させない工程を実施する、[12]に記載の方法。
[14] 前記第2工程後に、その工程に特有の周波数、特有の振幅、及び特有の励振時間を有する弾性表面波を前記対象に伝搬させる工程を少なくとも一つ実施する、[12]又は[13]に記載の方法。
[15] 前記の一連の工程を一組として、これを連続して複数回実施する、[12]〜[14]のいずれかに記載の方法。
一方、弾性表面波には液体を振動、流動、飛翔、又は霧化させる作用があることから、加熱と同時に液体を振動させたり、或いは流動させたりすることなどができる。したがって、例えば、本発明の加熱装置又は加熱方法をある反応の進行に利用する場合に当該反応を促進させることができる。
本発明の加熱装置では、以上のようなSAW発生器によって得られるSAWを加熱対象に伝搬させることによって加熱対象中にエネルギーを放出させ、そのエネルギーを熱に変換させて加熱作用を得る(図9bを参照)。尚、本発明における用語「加熱」は、対象の物質の温度を上昇させることを意味し、用語「加温」を含む意味として用いられる。
圧電体基板上に、金属やろ紙、或いは親水性ポリマーなどで被覆された領域を設け、当該領域を加熱反応部とすることもできる。例えば、圧電基板上に、平面視が円形となるように金からなる薄膜を形成し、この薄膜上を加熱反応部とする。このような加熱反応部は液体に対する親和性が高くなり、加熱対象を良好に保持可能となる。
すだれ状電極の配置や形状は特に限定されず、加熱反応部との関係や使用目的(加熱対象)などを考慮して任意に設計することができる。尚、SAWの伝搬幅は、すだれ状電極の交差幅に依存することが知られている。したがって、加熱反応部の大きさに対応する伝搬幅のSAWが得られるように、すだれ状電極の交差幅を設計することが好ましい。
弾性表面波による加熱では、その到達温度(加熱温度)は弾性表面波の励振特性に依存する。従って、上記のように高周波入力を制御して二種類の弾性表面波を加熱対象に伝搬させれば、異なる温度条件の二つの加熱工程(第1工程及び第2工程)が実施されることとなる。
弾性表面波の特性は、それを発生させる際の条件(基板材料や電極形状(対数、交差幅など)、高周波入力条件(励振周波数、電圧、励振時間(パルス周波数、duty比))などによって規定される。換言すれば、これらの条件を適宜設定することにより所望特性の弾性表面波を発生させることができる。
以上の二つの加熱工程の間に、加熱対象に弾性表面波を所定時間伝搬させない工程を実施するように制御してもよい。このような制御によれば第1工程の後、加熱対象は迅速に降温する。従って、第1工程として高温度の加熱を実施し、第2工程として第1工程よりも低温度の加熱を実施する場合に、第1工程から第2工程への移行がより迅速に進む。これによって全体の加熱時間(反応時間)の短縮化を達成できる。
三以上の状態を採ることができるように本発明の加熱装置を構成することもできる。この場合、高周波入力手段は、各状態のときに当該状態に特有の高周波入力条件となるように周波数、電圧、及び励振時間を制御する。原則として各状態の高周波入力条件は他の状態の高周波入力条件と相違するが、複数の状態間(例えば、二つの状態間や三つの状態間)において高周波入力条件が一致することを妨げない。各状態の高周波入力条件は、その状態において期待される加熱効果を考慮して設定することができる。
以上の各工程ではそれぞれ、所望の加熱状態が得られるように特有の弾性表面波による加熱が所定時間実施される。典型的には、各工程において特有の弾性表面波を連続的に加熱対象に伝搬させる。但し、弾性表面波を間欠的に加熱対象に伝搬させてもよい。
本発明の用途の具体例としては、核酸増幅反応(例えばPCR(Porimerase chain reaction)法やその変法(アレル特異的PCRや非対称PCRなど)あるいはそれを利用した方法(PCR-SSCP法など))を挙げることができる。核酸増幅反応の代表であるPCRは、94℃付近の温度条件によるDNA変性、約45℃〜約65℃の温度条件によるプライマーとのアニーリング、72℃付近の温度条件によるポリメラーゼ伸長反応を一サイクルとし、これを繰り返し行う(通常数十サイクル)。このようにPCRでは周期的に温度条件を変化させる必要があり、効率的な増幅を実現するためには温度条件の迅速な切換えが要求される。上述のように本発明の加熱装置は迅速な昇温及び降温を実現できることから、PCRのような周期的な温度変化を伴う一連の反応を実施することに好適に利用され得る。また、様々な加熱温度に対応でき、汎用的な加熱装置となる。本発明の加熱装置によれば、例えば約20℃〜約90℃の間で加熱温度を適宜設定できる。
ここで使用される圧電素子は、バルク波が得られる限りその構成は特に限定されないが、典型的な構成では、圧電体基板を上下から挟むように、圧電基板の上下両面に金属薄膜の電極が形成される。
加熱反応器にはバルク波をSAWに変換するための変換手段が備えられる。ここでの変換手段には、典型的には、加熱反応器の表面の一部に金属材料層をストライプ状に形成することや、或いは加熱反応器の表面の一部にストライプ状の溝を形成することなど、いわゆるグレーティングが用いられる。
他の部材を介して加熱反応器を圧電素子に接続する場合には、当該他の部材においてバルク波がSAWに変換され、SAWが加熱反応器に伝搬するように構成してもよい。
バルク波を介して弾性表面波を発生させる構成を採用する場合には、弾性表面波の特性はバルク波の特性に依存するから、バルク波の特性を調節する手段(バルク波調節手段)を設けることによって二種類以上の弾性表面波を発生可能な加熱装置となる。このような機能を備える加熱装置は複数の加熱条件で加熱対象を加熱することができ、温度変化を伴う一連の反応用の加熱手段として好適なものとなる。
冷却器には、空冷式や水冷式など公知の方式を利用したものを採用できる。具体的にはファンを利用した冷却器やペルチェ素子を利用した冷却器などを用いることができる。
上述のように弾性表面波を利用した加熱では、弾性表面波の伝搬を停止させることによって迅速な降温効果が得られる。従って本発明の加熱装置では、以上のような冷却器に拠らずとも対象を昇温させ、そして降温させることができる。但し、例えばより迅速な冷却(降温)が必要な場合や、対象が大量などの理由によって十分な冷却(降温)作用が得られない場合には冷却器を併用することが好ましい。
各すだれ状電極20には高周波電源40が接続される。図2に示すように高周波電源40は標準信号発生器41、マルチファンクションジェネレータ42、RFパワー増幅器43、マッチングメータ44が接続された回路を含む。
加熱反応部30は、圧電体基板10の表面に形成された、円柱状の凹部からなる。
以上のSAWヒータ1において圧電体基板10の材料は特に限定されるものではない。例えば圧電セラミックスを用いて圧電体基板10を作製することもできる。同様に、電極材料も限定されず、金/クロム以外にもアルミニウム、銅、アルミニウム合金等を用いることができる。一方、本実施例では加熱反応部30を一つのみ形成したが、これを複数形成してもよい。また、加熱反応部の形状、大きさは図1に示したものに限定されない。
この例の弾性表面波ヒータ(SAWヒータ)1aでは円弧型電極(IDT)21が用いられ、これによって弾性表面波を集束し、加熱効率の向上が図られる。圧電体基板10上において弾性表面波が集中する領域は、金属(例えば金)薄膜で円形に被覆されている。SAWヒータ1aでは、この金属薄膜の上面が加熱反応部35となる。
この例の弾性表面波ヒータ(SAWヒータ)1bでは圧電素子15、SAW伝搬基板50が使用される。圧電素子15は概略して圧電体基板16及びバルク波励振用電極22からなる。圧電体基板16の上面及び下面の実質的に全体を被覆するようにバルク波励振用電極22が形成されている。換言すれば、バルク波励振用電極22によって圧電体基板16が挟まれるような状態となっている。
SAW伝搬基板50はガラス製であって、その上面の一端領域には、金属層をストライプ状に形成してなるグレーティング51が備えられている。さらに、SAW伝搬基板50の上面において、グレーティング51が形成される側と反対側の端部領域には金属薄膜からなる加熱反応部35が形成されている。尚、図示されるように、SAW伝搬基板50は、圧電素子15に接触した状態に配置される。
SAWヒータ1bでは、高周波電源からの電圧の印加によって圧電素子15内にバルク波が発生する。このバルク波は、圧電素子15との接触面を介してSAW伝搬基板50に伝搬する。伝搬したバルク波はグレーティング51の作用によって弾性表面波(SAW)へと変換される。このようにして得られたSAWは基板表面を伝搬し、加熱反応部35へと至ることとなる。
SAWデバイスを用いてSAWストリーミングと発熱特性の関係について検討した。尚、SAWストリーミングとは、レイリー波が伝搬面上に置かれた液体内に縦波成分を放射し、それが液体内に圧力差をもたらすことで液体が流動、飛翔、霧化する現象である。
SAWデバイスにクロメル−アルメル熱電対の先端を接触させて表面温度の計測を行った。水がない場合には熱電対をデバイス表面に直接接触させた。水がある場合、デバイス上に水を薄く保持させるためにろ紙をのせ、その上に熱電対を接触させた。
SAWデバイスへの入力電圧はパルス周波数1 kHz、Duty比50%とし、振幅を5 Vp-pから5 V間隔で変化させた。測定は電圧を印加し始めてから12秒間隔で行った。ここで水が霧化するのは、30 Vp-p、35 Vp-pの場合である。水がある場合は、霧の出始めるろ紙上の地点の温度を計測した。図5に1分後の結果を示す。図5のグラフより、水の有無によって表面温度が大きく異なっていることがわかる。また、印加電圧を水が霧化する程度まで大きくしても、温度が100℃まで上がることはなかった。このことから霧化現象は沸騰とは異なる現象であると考えられた。
SAWの伝搬方向に対して垂直な方向に、伝搬面とその周辺における温度分布を、図6のような測定方法を用いて計測した。基板上に水を保持する場合は、2 mm X 20 mmのろ紙60を用い、伝搬面全体に均一に水が保持されるようにした。印加電圧は10 Vp-p、20 Vp-p、30 Vp-pとし、パルス波1 kHzで、電圧を印加し始めてから1分後の温度を計測した。また、すだれ状電極(IDT)の中心点から左右に0.2 mmずつ、2 mmまで計測した。図7に30 Vp-pの結果を示す。図7のグラフから、基板上に水を保持した場合、伝搬面内の温度が最も高く、ほとんど一定であることが判る。また水の有無による違いを見ると、水がある場合に温度が非常に高い。このことから、伝搬面に水があると波の伝搬が遮られることでエネルギーが集中し、大きな温度上昇が生じたと考えられる。
霧の発生がエネルギーの集中によるものか、それともSAWの振幅によるものかについて調べた。印加電圧を35 Vp-pに保ち、印加電圧のDuty比を75%、50%、25%、10%と変えることで、基板表面温度がどのように変化するかを計測し、同時にストリーミングの状態を観察した。計測間隔は12秒とした。図8に計測結果を示す。図8のグラフから、Duty比が大きいほど温度が高いことがわかる。またストリーミングの様子を観察したところ、Duty比を小さくすると霧の発生が弱くなった。しかし、Duty比を大きくしても霧の発生し始める電圧に変わりはなかった。このことから、霧の発生開始はSAWの励振強度によって決まるということが明らかになった。
ろ紙の代わりに水滴を伝搬面中央に置いて温度の計測を行った。片側励振では水滴が流動し温度の計測ができない。そこで、両側のすだれ状電極(IDT)よりSAWを励起した(両側励振)。また、印加電圧を大きくすると、飛翔などの現象が生じ水滴量が減少するため、20VP-P以下で測定を行った。
図11は水滴10μlのときの測定結果である。パルス周波数とDuty比はそれぞれ1kHz、50%とした。1分間入力信号を印加した。測定は12秒間隔で、印加中及びオフした後それぞれ1分ずつ計2分間行った。ろ紙を用いた場合同様、立ち上がりが急峻で、印加後約45秒で定常状態となることが分かる。また、入力信号をオフにすると初期温度に戻ることが分かる。この場合の立下りも急峻であり、この結果より、入力信号印加中のみ加熱が行われることがわかる。図11の到達温度は、図5のろ紙に水を含ませた場合よりも高い。この主な原因は両側励振にある。
次に、水滴量について検討した。水滴量が少ない場合、20VP-Pでは安定した測定ができないため、最大印加電圧を15VP-Pとした。印加電圧が15VP-Pのときの結果を図12に、5〜15VP-Pの印加1分後の液滴量に対する温度を図13に示す。これらの結果より、液適量が少ないほど温度が高くなることが分かる。しかし、同一入力電圧に対する温度差は約3度である。従って、液滴の温度は、量よりも印加電圧に大きく依存するといえる。また、図12より、液適量が少ないほど定常状態に達する時間が速いことがわかる。液適量が少ないほど、内部の熱拡散に要する時間が短いと考えると、この結果は妥当である。
以上の実験結果から、温度上昇は、入力信号を印加している間のみ生じ、信号をオフにすると初期温度に戻ることが分かり、局所的に温度を制御可能であることが明らかとなった。この現象は、例えばマイクロ流路中の一部分を加熱させることに利用可能である。
水と物性が異なる液体としてグリセリン水溶液を選び、濃度を変えて測定を行った。測定は、4−3.と同様、両側励振とし、伝搬面中央に液滴を載せた。印加電圧は15VP-Pとした。図14は時間に対する温度、図15は印加1分後の濃度に対する温度を示している。これらの図より、低濃度の場合、温度はほぼ水と同じであることが分かる。濃度が40wt.%以上になると、水よりも温度が高くなることが分かる。また、図14の80wt.%に対する時間応答を見ると、電圧印加1分後ではまだ定常状態に達していないことが分かる。この原因をグリセリン水溶液の物性から論じる。図15の表(R.C. West ed, "CRC Handbook of Chemistry and Physics, 60th ed.," CRC Press Inc., pp.D-239-D-240(1979))はグリセリン水溶液の濃度に対する密度と粘度を表している。表より、40wt.%を超えると、粘度が大きく増加していることが分かる。液体に放射された縦波の粘性減衰による効果が40wt.%以上だと大きくなり、その結果として温度が増加したと考えられる。
一方、本発明では加熱作用に加えて、振動作用や流動作用或いは霧化作用などのSAW特有の作用を利用できることから、単に加熱するだけでなく、例えば化学反応の促進、流動化や霧化などを同時に行なうこともできる。このような特性を備える本発明は、各種の反応装置や検出装置などへもその利用が図られるものである。さらには、スプレイノズルやインクジェットノズルに組み込むことによって、スプレイ液等の加熱・加温手段として本発明を利用することもできる。
10 16 100 110 圧電体基板
15 圧電素子
20 101 すだれ状電極
21 円弧型すだれ状電極
22 バルク波励振用電極
30 111 112加熱反応部
40 102 高周波電源
41 標準信号発生器
42 マルチファンクションジェネレータ
43 RF−パワー増幅器
44 マッチングメータ
50 弾性表面波伝搬基板
51 グレーティング
Claims (14)
- 圧電体基板と、該圧電体基板上に形成されたすだれ状電極とを有する、弾性表面波発生器を備え、
前記圧電体基板の一部に加熱反応部が形成されている、ことを特徴とする、弾性表面波を加熱手段とした加熱装置。 - 前記加熱反応部を挟むように、前記すだれ状電極が複数形成される、請求項1に記載の、弾性表面波を加熱手段とした加熱装置。
- 前記加熱反応部が、前記圧電体基板の表面に形成された凹部からなる、請求項1又は2に記載の、弾性表面波を加熱手段とした加熱装置。
- 圧電体基板と、該圧電体基板上に形成されたすだれ状電極とを有する弾性表面波発生器と、
弾性表面波を伝搬可能な材料からなり、直接又は他の弾性表面波伝搬材料を介して前記圧電体基板に接続した状態に配置される加熱反応器と、
を備える、弾性表面波を加熱手段とした加熱装置。 - 圧電基板と、該圧電体基板上に形成された電極とを有し、バルク波を発生する圧電素子と、
直接又は他の伝搬材料を介して前記圧電素子に接続した状態に配置される弾性表面波伝搬基板であって、前記圧電素子が発生するバルク波が伝搬する領域に該バルク波を弾性表面波に変換する変換手段を有し、且つ生じた弾性表面波が伝播する領域に加熱反応部を有する弾性表面波伝搬基板と、
を備える、弾性表面波を加熱手段とした加熱装置。 - 前記すだれ状電極へ印加する励振周波数、電圧、及び励振時間を調節する高周波入力手段を備える、請求項1〜4のいずれかに記載の、弾性表面波を加熱手段とした加熱装置。
- 前記高周波入力手段は、加熱装置が第1状態のときに第1励振周波数、第1電圧、及び第1励振時間で前記すだれ状電極に印加し、加熱装置が第2状態のときに第2励振周波数、第2電圧、及び第2励振時間で前記すだれ状電極に印加する、請求項6に記載の、弾性表面波を加熱手段とした加熱装置。
- 加熱装置が前記第1状態及び前記第2状態と異なる一以上の状態になることができ、各状態において前記高周波入力手段は、該状態に特有の励振周波数、電圧、及び励振時間で前記すだれ状電極に印加する、請求項7に記載の、弾性表面波を加熱手段とした加熱装置。
- 冷却器を更に備える、請求項1〜8のいずれかに記載の、弾性表面波を加熱手段とした加熱装置。
- 対象に、加熱手段としての弾性表面波を伝搬させる工程、を含む、前記対象を加熱する方法。
- 第1周波数、第1振幅、及び第1励振時間を有する、加熱手段としての第1弾性表面波を対象に伝搬させる第1工程、
前記第1工程の後に、第2周波数、第2振幅、及び第2励振時間を有する、加熱手段としての第2弾性表面波を前記対象に伝搬させる第2工程と、
を含む、前記対象を加熱する方法。 - 前記第1工程と前記第2工程との間に、弾性表面波を前記対象に伝播させない工程を実施する、請求項11に記載の方法。
- 前記第2工程後に、その工程に特有の周波数、特有の振幅、及び特有の励振時間を有する、加熱手段としての弾性表面波を前記対象に伝搬させる工程を少なくとも一つ実施する、請求項11又は12に記載の方法。
- 前記の一連の工程を一組として、これを連続して複数回実施する、請求項11〜13のいずれかに記載の方法。
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