JP6544687B2 - 液滴検出装置及び液滴検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、弾性波デバイスを用いて液滴を検出する液滴検出装置及び液滴検出方法に関する。

近年、弾性表面波を利用した液滴操作技術が開発されており、この技術のマイクロ流体システムなどへの応用が期待されている。液滴操作の際には液滴がどこにあるかを検出することが重要となる。例えば、下記特許文献１に記載された分光法では、弾性表面波を利用して液滴を搬送し、液滴がレーザビームを横切る際にそのレーザビームの光量の変化を検出器で検出することにより、その位置を検出する。

その他、弾性表面波を利用した液滴操作デバイスにおいて液滴の位置を測定する技術としては、下記非特許文献１，２に記載のものが知られている。下記非特許文献１には、液滴からの反射波を利用すると液滴の位置が測定できることが記載されている。また、下記非特許文献２では、液滴を搬送する方向に対して直交する方向にも弾性表面波を伝搬させ、液滴が横切ることによる弾性表面波の減衰を検出することによって液滴位置を測定する手法が提案されている。

特開２００６−１１２７９０号公報

Alan Renaudinet al.， "Monitoring SAW-actuated microdroplets in view of biologicalapplications"， Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ １３８ （２００９），ｐ．３７４−３８２ Jonathan Bennes et al., "Detectionand High-Precision Positioning of Liquid Droplets Using SAW Systems"， ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ， ＦＥＲＲＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ， ＡＮＤ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＣＯＮＴＲＯＬ，２００７年１０月， Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．１０，ｐ．２１４６−２１５１

しかしながら、上述した特許文献１に記載の方法では、液滴へのレーザ光の照射及び検出が必要となるため装置構成が複雑化する傾向にある。また、上述した非特許文献１に記載されたデバイスにおいては、２つの反射波の時間差を検出して液滴位置を測定しているため、液滴の初期の位置が既知である必要があり、初期の位置が不明の場合に液滴位置を正確に測定することが困難である。また、上述した非特許文献２に記載されたデバイスにおいては、液滴搬送用の励振電極に加えて液滴位置検出用の励振電極を加える必要があり構成が複雑化する傾向にある。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、構成を複雑化させることなく正確な液滴位置の測定を可能にする液滴検出装置及び液滴検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一形態にかかる液滴検出装置は、圧電基板上に弾性表面波を励振させるための励振電極が設けられ、圧電基板上で液滴を搬送する弾性波デバイスと、励振電極に所定周波数の交流電気信号を設定された時間幅で印加する電源回路部と、励振電極における交流電気信号の反射信号を測定する検出回路部と、検出回路部によって測定された反射信号と交流電気信号との時間差を検出し、時間差を基に圧電基板上の液滴の位置を算出する演算回路部とを備え、演算回路部は、反射信号の伝搬経路を、液滴と圧電基板の界面の反対側の表面と、液滴と圧電基板の界面とを経由して液滴を循環する経路に設定した演算式を用いることにより、時間差から位置を算出する。

或いは、本発明の他の形態にかかる液滴検出方法は、圧電基板上に弾性表面波を励振させるための励振電極が設けられ、圧電基板上で液滴を搬送する弾性波デバイスを用いた液滴位置を検出する方法であって、励振電極に所定周波数の交流電気信号を設定された時間幅で印加し、励振電極における交流電気信号の反射信号を測定し、測定した反射信号と交流電気信号との時間差を検出し、反射信号の伝搬経路を、液滴と圧電基板の界面の反対側の表面と、液滴と圧電基板の界面とを経由して液滴を循環する経路に設定した演算式を用いることにより、時間差から圧電基板上の液滴の位置を算出する。

上記形態の液滴検出装置及び液滴検出方法によれば、圧電基板上の励振電極に設定された時間幅で所定周波数の交流電気信号が印加され、励振電極における交流電気信号の反射信号が測定され、測定された反射信号と交流電気信号の時間差が検出され、圧電基板に対して反対側の液滴の表面と液滴の圧電基板側の界面とを経由して液滴を循環する経路を反射信号の伝搬経路に設定した演算式を用いて、その時間差から液滴の位置が算出される。このように、液滴の搬送用の励振電極を用いた反射信号の測定結果から液滴の位置が検出されるので、装置構成を簡素化することができる。それとともに、反射信号の伝搬経路が液滴を循環する経路に設定された演算式を用いて位置を算出することで、液滴位置の検出結果の精度が向上する。その結果、構成を複雑化させることなく正確な液滴位置の測定を実現することができる。

ここで、電源回路部は、交流電気信号を発生させる交流信号生成回路と、時間幅のパルス信号を繰り返し発生させるパルス信号生成回路と、パルス信号に交流電気信号を重畳させる合成回路とを有する、こととしてもよい。こうすれば、設定された時間幅で交流電気信号を繰り返し発生させることができ、液滴位置の測定を繰り返し実行させることができる。

また、パルス信号生成回路は、パルス信号の時間幅を可変に設定可能に構成されている、こととしてもよい。この場合、発生させる弾性表面波の時間幅を調整することができる結果、液滴の搬送と液滴位置の測定とを切り換えて実行することができる。

また、演算回路部は、弾性表面波の圧電基板上の伝搬速度（Ｖ_ＳＡＷ）、励振電極の液滴の搬送方向の幅（ｉ）、励振電極の液滴側の先端と液滴の励振電極側の先端との距離（ｌ）、液滴の直径（ｄ）、及び液滴中の縦波の伝搬速度（Ｖ_ｌ）と、時間差（Δｔ）との間の下記の演算式（１）；


を用いて距離（ｌ）を算出し、距離（ｌ）を基に位置を算出するとしてもよい。この場合には、反射信号の伝搬経路の一部の長さが液滴を循環する経路の長さ（ｄ×（１＋π／２））に設定された演算式を用いて位置を算出することで、距離（ｌ）から求まる液滴位置の検出結果の精度が向上する。

また、演算回路部は、演算式を用いることにより、時間差から液滴の量を算出することでもよいし、演算回路部は、演算式を用いることにより、時間差から液滴中の縦波の伝搬速度を算出し、伝搬速度を基に液滴の特性を算出することでもよい。この場合には、液滴の量或いは液滴の特性が未知の場合でも弾性波デバイスを用いてそれらを求めることができる。

また、弾性波デバイスは、圧電基板の表面に発生した弾性表面波が伝搬する伝搬面に液相を介して配置された搬送路プレートをさらに含んでいてもよい。かかる構成を採れば、圧電基板の洗浄作業を不要として液滴の搬送作業の効率を向上させることができる

本発明によれば、構成を複雑化させることなく正確な液滴位置を測定することができる。

本発明の好適な実施形態にかかる液滴検出装置１００の概略構成を示す図である。 （ａ）は、図１の弾性波デバイス１を圧電基板の表面側から見た平面図、（ｂ）は、（ａ）の弾性波デバイス１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 （ａ）は、弾性波デバイス１の圧電基板１０１上に液滴Ｄｐを配置する前に測定される電圧の時間変化を示すグラフであり、（ｂ）は、弾性波デバイス１の圧電基板１０１上に液滴Ｄｐを配置した後に測定される電圧の時間変化を示すグラフである。 図１の弾性波デバイス１を液滴Ｄｐの搬送方向に垂直、かつ圧電基板１０１に平行な方向から見たモデル図である。 図４のモデル図における液滴Ｄｐの部分を拡大した図である。 本実施形態で用いる演算式によって算出した液滴Ｄｐの体積と時間差ΔＴとの関係を実測結果と比較したグラフである。 本実施形態で用いる演算式によって算出した液滴Ｄｐの体積と時間差ΔＴとの関係を実測結果と比較したグラフである。 本実施形態で用いる演算式によって算出した液滴Ｄｐの体積と時間差ΔＴとの関係を実測結果と比較したグラフである。 本発明の変形例にかかる弾性波デバイス１Ａを液滴Ｄｐの搬送方向に垂直、かつ圧電基板１０１に平行な方向から側面図である。 図９の弾性波デバイス１Ａを含む液滴検出装置１００Ａの概略構成を示す図である。 本発明の変形例にかかる弾性波デバイス１Ｂを圧電基板の表面側から見た平面図である。 （ａ）は、本発明の変形例にかかる弾性波デバイス１Ｃを圧電基板の表面側から見た平面図、（ｂ）は、（ａ）の弾性波デバイス１ＣのＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る液滴検出装置及び液滴検出方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。

本発明の好適な一実施形態にかかる液滴検出装置に備えられる弾性波デバイスは、弾性表面波を利用して液滴を所定方向に搬送する装置である。ここで、弾性表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ： ＳＡＷ）とは、弾性体の表面を伝搬する縦波と横波からなる波動である。

図１には、本実施形態にかかる液滴検出装置１００の概略構成を示している。同図に示すように、液滴検出装置１００は、弾性波デバイス１、正弦波発生器（交流信号生成回路）３、パルス波発生器（パルス信号生成回路）５、信号増幅器（合成回路）７、ブリッジ回路９、信号波形測定器（検出回路部）１１、及びデータ処理部（演算回路部）１３を含んで構成される。これらの正弦波発生器３とパルス波発生器５と信号増幅器７とで弾性波デバイス１に電気信号を供給する電源回路部が構成される。

まず、弾性波デバイス１の構成について説明する。図２には、弾性波デバイス１の構成の一例を示している。図２（ａ）は、弾性波デバイス１を圧電基板の表面側から見た平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の弾性波デバイス１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。弾性波デバイス１は、矩形平板状に形成された圧電基板１０１と、圧電基板１０１上で弾性表面波を励振させるための励振電極１０２とを備える。なお、ここで圧電基板の表面側とは、弾性表面波が伝搬する伝搬面側を示す。

圧電基板１０１は、圧電効果によって弾性表面波を発生させる結晶体、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、水晶、ランガサイト、等により構成されている。なお、圧電基板１０１は、縦波を含む弾性波を発生する基板、例えば、ＰＺＴなどの圧電セラミックス、又は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなる圧電薄膜をガラス、シリコン等からなる基板の表面に全体的或いは部分的に積層したものでものであってもよい。また、圧電基板１０１は、圧電効果を生じる高分子基板であってもよい。なお、圧電効果とは、水晶等の結晶に力又は電場を加えた場合に、その力又は電場に応じた電圧又は歪が生じる現象であるが、本実施形態では、圧電基板１０１に電場を加えることによりその電場に応じた電歪が生じる現象をいう。

励振電極１０２は、圧電基板１０１の表面上の一方の端部（図２（ａ）の左端部）に設けられた一対の電極部材である。励振電極１０２は、圧電基板１０１に弾性表面波を励振するための電極であり、２つのすだれ状電極（ＩＤＴ：Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）１０２ａ，１０２ｂによって構成されている。具体的には、２つのすだれ状電極１０２ａ，１０２ｂは、それぞれ、圧電基板１０１の一方の端部に垂直な方向に沿って直線状に延びる基部と、その基部から直交する方向に互いに平行に延びる複数の電極指とを有しており、２つのすだれ状電極１０２ａ，１０２ｂは、お互いの電極指間に入り込んだ状態で配置されている。この励振電極１０２は、Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｐｔ等の金属単体、又はこれらの合金によって構成されており、フォトリソグラフィー、スパッタ法などにより圧電基板１０１の表面に形成される。このような構成の励振電極１０２は、交流電気信号の印加によって圧電基板１０１の表面上の液滴Ｄｐを圧電基板１０１の表面の励振電極１０２側の一方の端部から他方の端部に向けて、すなわち、２つのすだれ状電極１０２ａ，１０２ｂの電極指に直交する方向に沿って搬送することができる。

図１に戻って、液滴検出装置１００の各部の構成の詳細を説明する。

正弦波発生器３は、所定の高周波の周波数（例えば、５０ＭＨｚ、１００ＭＨｚ等）を有する正弦波の交流電気信号を生成する電源回路であり、パルス波発生器５は、所定の低周波の周波数（例えば、１Ｈｚ等の数Ｈｚオーダー）で所定のデューティ比（例えば、５０％）の矩形状の電気信号（パルス信号）を生成する電源回路である。すなわち、パルス波発生器５は、予め設定された時間幅（例えば、周波数１Ｈｚで５０％のデューティ比の場合は０．５ｓｅｃの時間幅）のパルス信号を規定の周波数で繰り返し発生させる。信号増幅器７は、その２つの入力がそれぞれ正弦波発生器３およびパルス波発生器５に接続され、正弦波発生器３から出力された交流電気信号をパルス波発生器５から出力されたパルス信号に重畳させて合成信号を生成し、その合成信号を増幅して出力する。これらの正弦波発生器３、パルス波発生器５、及び信号増幅器７によって構成される電源回路部は、正弦波の交流電気信号を、パルス信号の時間幅に対応する既定の時間幅で連続して弾性波デバイス１の励振電極１０２にブリッジ回路９を介して印加する。そして、この電源回路部は、交流電気信号の印加を断続的に規定の周波数で繰り返す。

ブリッジ回路９は、３端子の方向性結合ブリッジ回路であり、第１の端子が信号増幅器７の出力に接続され、第２の端子が弾性波デバイス１の励振電極１０２の一方の端子に接続され、第３の端子が信号波形測定器１１の入力に接続されている。また、弾性波デバイス１の励振電極１０２の他方の端子は接地されている。このブリッジ回路９は、信号増幅器７から出力された合成信号を第１の端子及び第２の端子を経由して励振電極１０２に印加する一方で、励振電極１０２において生じる電圧変化を電気信号として第２の端子及び第３の端子を経由して信号波形測定器１１に出力する。

信号波形測定器１１は、励振電極１０２において生じる電圧の時間変化を測定し、その時間変化を示すデータを出力する測定器である。例えば、このような信号波形測定器１１として、オシロスコープが用いられる。この信号波形測定器１１は、励振電極１０２に印加される交流電気信号と、それに応じた圧電基板１０１上の液滴Ｄｐにおける反射波に起因する反射信号とに伴う励振電極１０２の電圧の時間変化を測定する。信号波形測定器１１は、測定した電圧の時間変化のデータを時系列のデータ系列として取得し、そのデータ系列を出力することができる。

データ処理部１３は、信号波形測定器１１から出力された電圧の時間変化を示すデータ系列を処理するデータ処理ユニットである。このようなデータ処理部１３は、物理的には、ＣＰＵ等の演算処理回路、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のデータ記憶装置を内蔵し、弾性波デバイス１の圧電基板１０１上の液滴Ｄｐの位置を検出するためのデータ処理装置である。データ処理部１３は、汎用のコンピュータ端末によって実現されてもよいし、マイクロコントローラユニット（ＭＰＵ）等を搭載した専用のＣＰＵボードによって実現されてもよい。データ処理部１３の機能の詳細については後述する。

図３には、信号波形測定器１１によって測定される電圧の時間変化の一例を示している。図３（ａ）は、弾性波デバイス１の圧電基板１０１上に液滴Ｄｐを配置する前に測定される電圧の時間変化を示すグラフであり、図３（ｂ）は、弾性波デバイス１の圧電基板１０１上に液滴Ｄｐを配置した後に測定される電圧の時間変化を示すグラフである。これらのグラフにおいては、横軸に時間変化を縦軸に電圧の振幅を示している。図３（ａ）に示すように、圧電基板１０１上に液滴Ｄｐを配置する前においては、信号波形測定器１１によって測定される電圧の時間変化には、電源回路部によって励振電極１０２に印加される交流電気信号の波形ＷＦ_１のみが、交流電気信号の印加タイミングに対応して現れる。これに対して、図３（ｂ）に示すように、圧電基板１０１上の励振電極１０２に対向する位置に液滴Ｄｐを配置した場合には、信号波形測定器１１によって測定される電圧の時間変化には、交流電気信号の波形ＷＦ_１に加えて、交流電気信号によって生じる弾性表面波の液滴Ｄｐに起因する反射信号の波形ＷＦ_２が現れる。この交流電気信号の波形ＷＦ_１の生じ始める開始時刻ＳＴ_１と、反射信号の波形ＷＦ_２の生じ始める開始時刻ＳＴ_２との間の時間差ΔＴは、圧電基板１０１上における液滴Ｄｐの励振電極１０２からの距離に依存しており、このことを利用して、データ処理部１３は、時間差ΔＴを基に圧電基板１０１上の液滴Ｄｐの位置を算出する。

詳細には、データ処理部１３による液滴の位置の算出においては、図４及び図５に示すようなモデル図を前提にしている。図４は、弾性波デバイス１を液滴Ｄｐの搬送方向に垂直、かつ圧電基板１０１に平行な方向から見たモデル図、図５は、図４のモデル図における液滴Ｄｐの部分を拡大した図である。ここでは、液滴Ｄｐの中心を励振電極１０２の中心線上に配置した場合を想定している。このモデルにおいて、励振電極１０２の片方のすだれ状電極１０２ａの電極指の液滴Ｄｐの搬送方向の幅をｉ、すだれ状電極１０２ａの搬送方向の先端と液滴Ｄｐのすだれ状電極１０２ａ側の先端との距離をｌと仮定し、圧電基板１０１上に配置された液滴Ｄｐの形状を半球状としてその直径をｄと仮定する。

このようなモデルにおいては、励振電極１０２に交流電気信号が印加されると励振電極１０２のすだれ状電極１０２ａの先端から搬送方向に向けて圧電基板１０１上を伝搬する弾性表面波が発生する。そして、弾性表面波の伝播方向に液滴Ｄｐが存在する場合において弾性表面波が液滴Ｄｐに到達すると、弾性表面波は液滴Ｄｐ内に縦波を放射しながら次第に減衰する。この弾性表面波のパワーがある程度大きくその持続時間もある程度長い場合には、縦波によって液滴Ｄｐ内に生じた放射圧によって、液滴Ｄｐが圧電基板１０１上を搬送方向に向けて搬送される。その一方で、液滴Ｄｐ内に放射された縦波は液滴Ｄｐ内で循環する反射波ＲＷを生じさせる。

データ処理部１３に適用される計算モデルにおいては、この反射波ＲＷの伝搬経路が図５に示す経路に想定される。すなわち、反射波ＲＷの伝搬経路を、半球状と仮定した液滴Ｄｐの中心を通り弾性表面波の伝搬方向Ｘに沿った断面における２つの経路ＲＴ_１，ＲＴ_２を含む経路と想定する。経路ＲＴ_１は、当該断面における液滴Ｄｐと圧電基板１０１との界面の反対側の表面の境界線と想定され、経路ＲＴ_２は、当該断面における液滴Ｄｐと圧電基板１０１との界面上の境界線と想定される。このようなモデルにおいては、経路ＲＴ_１の長さｒは、ｒ＝（１／２）πｄと計算することができ、経路ＲＴ_２の長さはｄと等しくなる。

このような計算モデルの仮定のもと、データ処理部１３は、反射波の伝搬経路を上記のように設定した演算式を用いることで、交流電気信号と反射信号との時間差ΔＴを基に液滴Ｄｐの位置を算出する。詳細には、データ処理部１３は、まず、信号波形測定器１１から出力された電圧の時間変化のデータ系列を処理することにより、その時間変化に現れる交流電気信号の波形ＷＦ_１の開始時刻と反射信号の波形ＷＦ_２の開始時刻とを特定する。さらに、データ処理部１３は、特定した２つの開始時刻から時間差ΔＴを算出する。このとき、データ処理部１３は、励振電極１０２に対する交流電気信号とパルス信号とが重畳された合成信号の印加により、繰り返し算出される時間差の平均値を時間差ΔＴとして算出することもできる。さらに、データ処理部１３は、算出した時間差ΔＴと、励振電極１０２の幅ｉ、励振電極１０２と液滴Ｄｐとの距離ｌ、液滴Ｄｐの直径ｄ、弾性表面波の圧電基板１０１上の伝搬速度Ｖ_ＳＡＷ、及び液滴Ｄｐ中の縦波の伝搬速度Ｖ_ｌとの関係を示す演算式（１）；、


を解くことにより、時間差ΔＴを基に距離ｌを算出する。

この演算式（１）における数値ｉ，ｄは、弾性波デバイス１の構成および使用する液滴Ｄｐの量に対応して予めデータ処理部１３内にその数値が設定される。同様に、伝搬速度Ｖ_ＳＡＷは、圧電基板１０１を構成する材料、印加される合成信号の条件、および圧電基板１０１上の気体の種類等に対応して、予めデータ処理部１３内にその数値が設定される。伝搬速度Ｖ_ｌは、使用される液滴Ｄｐの材料の特性、印加される合成信号の条件等に対応して、予めデータ処理部１３内にその数値が設定される。

そして、データ処理部１３は、算出した距離ｌを所定の条件で変換することにより圧電基板１０１上における液滴Ｄｐの位置を算出して出力する。例えば、距離ｌを圧電基板１０１の所定位置を基準とした所定の縮尺の距離に変換してもよいし、所定の座標系に変換した座標値を算出してもよい。液滴Ｄｐの位置の出力は、データ処理部１３に直接設けられたディスプレイ等の出力デバイスに対して行われてもよいし、通信ネットワークやメモリ等のデータ記録媒体を介して外部に出力されてもよい。

なお、データ処理部１３は、上記演算式（１）を用いることで、交流電気信号と反射信号との時間差ΔＴを基に液滴Ｄｐの量を算出することもできる。すなわち、液滴Ｄｐの位置が明らかであり、その量が未知である場合においては、数値ｉ，ｌ，Ｖ_ＳＡＷ，Ｖ_ｌが予めデータ処理部１３内に設定される。そして、データ処理部１３は、合成信号の印加に伴って算出した時間差ΔＴを基に、上記演算式（１）を解くことにより、液滴Ｄｐの直径ｄを算出する。さらに、データ処理部１３は、直径ｄを基に液滴Ｄｐの量を表す値を算出して出力する。

同様にして、データ処理部１３は、上記演算式（１）を用いることで、交流電気信号と反射信号との時間差ΔＴを基に液滴Ｄｐの特性を算出することもできる。すなわち、液滴Ｄｐの位置及び量が明らかであり、その材質が未知である場合においては、数値ｉ，ｌ，ｄ，Ｖ_ＳＡＷが予めデータ処理部１３内に設定される。そして、データ処理部１３は、合成信号の印加に伴って算出した時間差ΔＴを基に、上記演算式（１）を解くことにより、液滴Ｄｐ中の伝搬速度Ｖ_ｌを算出する。さらに、データ処理部１３は、伝搬速度Ｖ_ｌを基に液滴Ｄｐの材料の特性を表す値を算出して出力する。このとき算出する液滴Ｄｐの特性としては濃度、密度、比重等が挙げられる。

次に、本実施形態の液滴検出装置１００を用いた液滴検出方法の手順について説明する。まず、液滴検出装置１００の処理が起動されると、電源回路部によって生成された合成信号が弾性波デバイス１の励振電極１０２に印加される。次に、信号波形測定器１１によって励振電極１０２における電圧の時間変化が測定され、その時間変化に含まれる反射信号が検出される。その後、データ処理部１３によって、信号波形測定器１１から出力されたデータ系列が処理されることにより、励振電極１０２の電圧の時間変化に現れる交流電気信号と反射信号との時間差ΔＴが検出される。さらに、データ処理部１３により、検出した時間差ΔＴを基に、反射信号の伝搬経路が計算モデルによって設定された演算式（１）を用いることによって、液滴Ｄｐの位置が算出され出力される。

以上説明した液滴検出装置１００およびそれを用いた液滴検出方法によれば、圧電基板１０１上の励振電極１０２に設定された時間幅で所定周波数の交流電気信号が印加され、励振電極１０２における交流電気信号の反射信号が測定され、測定された反射信号と交流電気信号の時間差ΔＴが検出され、圧電基板１０１に対して反対側の液滴Ｄｐの表面と液滴Ｄｐの圧電基板１０１側の界面とを経由して液滴Ｄｐを循環する経路を反射信号の伝搬経路に設定した演算式（１）を用いて、その時間差ΔＴから液滴の位置が算出される。このように、液滴の搬送用の励振電極１０２を用いた反射信号の測定結果から液滴Ｄｐの位置が検出されるので、装置構成を簡素化することができる。それとともに、反射信号の伝搬経路が液滴Ｄｐを循環する経路に設定された演算式（１）を用いて位置を算出することで、液滴位置の検出結果の精度が向上する。その結果、構成を複雑化させることなく正確な液滴位置の測定を実現することができる。

ここで、本実施形態で用いられる計算モデルにおける演算式（１）の精度を確認した結果を示す。図６には、演算式（１）によって算出した液滴Ｄｐの体積と時間差ΔＴとの関係を実測結果と比較したグラフを示している。ここでは、液滴Ｄｐの材料として水を用いた場合を想定し、数値ｉ，ｌ，Ｖ_ＳＡＷ，Ｖ_１を既知の値として、演算式（１）から定まる時間差ΔＴと液滴Ｄｐの体積との関係を示している。また、同一の条件の弾性波デバイス１を用いて同一の交流電気信号の印加条件下で、液滴Ｄｐとして水を用いて信号波形測定器１１によって測定された実測値を併せて示している。この結果に示すように、演算式（１）から求まる関係は実測値とよく一致することが分かり、この演算式（１）を用いて求められる液滴Ｄｐの位置の精度が高いことが理解できる。

同様に、図７には、演算式（１）によって算出した液滴Ｄｐの体積と時間差ΔＴとの関係を実測結果と比較したグラフを示している。図６との相違点は、液滴として２５重量％のグリセロールを用いた点である。また、図８には、演算式（１）によって算出した液滴Ｄｐの体積と時間差ΔＴとの関係を実測結果と比較したグラフを示している。図６との相違点は、液滴として５０重量％のグリセロールを用いた点である。これらの結果より、液滴Ｄｐの材料を変更した場合でも演算式（１）から求まる関係は実測値とよく一致することが分かり、この演算式（１）を用いて求められる液滴Ｄｐの位置の精度が高いことが理解できる。

また、本実施形態では、電源回路部が正弦波発生器３とパルス波発生器５と信号増幅器７とにより構成されている。このような構成により、設定された時間幅で交流電気信号を繰り返し発生させることができ、液滴位置の測定を繰り返し実行させることができる。また、時間差ΔＴの平均値を基に位置測定を行うこともでき、測定精度が向上する。

また、本実施形態では、演算式（１）を用いることにより、時間差ΔＴから液滴Ｄｐの量を算出することもできるし、時間差ΔＴから液滴Ｄｐ中の縦波の伝搬速度Ｖ_１を算出し、伝搬速度Ｖ_１を基に液滴の特性を算出することもできる。このように、液滴Ｄｐの量或いは液滴Ｄｐの特性が未知の場合でも弾性波デバイス１を用いてそれらを求めることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態においては、パルス波発生器５がパルス信号のデューティ比を可変に設定可能に構成されていてもよい。このような構成によれば、パルス信号のオン期間の時間幅を可変とすることができる。この場合、発生させる弾性表面波の時間幅を調整することができる結果、液滴Ｄｐの搬送と液滴位置の測定とを切り換えて実行することができる。具体的には、液滴Ｄｐを搬送したい場合にはデューティ比を大きくして弾性表面波の持続時間を長くでき、液滴Ｄｐの位置を検出したい場合にはデューティ比を小さくして交流電気信号に反射信号が埋もれることを防止して測定の精度を高めることができる。

また、上記の実施形態においては、弾性波デバイス１として励振電極を複数備えたものを用いてもよい。図９は、本発明の変形例にかかる弾性波デバイス１Ａを液滴Ｄｐの搬送方向に垂直、かつ圧電基板１０１に平行な方向から見た側面図、図１０は、図９の弾性波デバイス１Ａを含む液滴検出装置１００Ａの概略構成を示す図である。

図９に示す弾性波デバイス１Ａは、一対のすだれ状電極からなる励振電極１０２に加えて、圧電基板１０１上の励振電極１０２に対して反対側の端部に、励振電極１０２と同一構成の励振電極１０２Ａを備えている。この励振電極１０２Ａは、圧電基板１０１の中心線を基準にして励振電極１０２と対称な形状となるように構成されている。すなわち、励振電極１０２Ａを構成するすだれ状電極の電極指の搬送方向に沿った幅は、励振電極１０２と同一値ｉに設定されている。そして、図１０示す液滴検出装置１００Ａは、励振電極１０２Ａに交流電圧信号を印加するための構成として、正弦波発生器３、パルス波発生器５、信号増幅器７、及びブリッジ回路９のそれぞれと同一構成の正弦波発生器３Ａ、パルス波発生器５Ａ、信号増幅器７Ａ、及びブリッジ回路９Ａが追加されている。そして、信号波形測定器１１Ａは、励振電極１０２における電圧の時間変化をブリッジ回路９を介して測定するとともに、励振電極１０２Ａにおける電圧の時間変化をブリッジ回路９Ａを介して測定し、励振電極１０２，１０２Ａのそれぞれにおける電圧の時間変化を示すデータ系列を同時にデータ処理部１３Ａに出力する。

液滴検出装置１００Ａのデータ処理部１３Ａは、２つの励振電極１０２，１０２Ａに対応するデータ系列を参照して、交流電気信号と反射信号との時間差ΔＴ_１、ΔＴ_２をそれぞれ算出する。そして、データ処理部１３Ａは、これらの時間差ΔＴ_１、ΔＴ_２を基に液滴Ｄｐの位置及び量を同時に算出して出力することができる。詳細には、このとき用いる計算モデルにおいて、搬送方向に沿った励振電極１０２，１０２Ａの幅をｉ、励振電極１０２の先端と液滴Ｄｐの先端との距離をｌ１、励振電極１０２Ａの先端と液滴Ｄｐの先端との距離をｌ２、液滴Ｄｐの直径をｄ、弾性表面波の圧電基板１０１上の伝搬速度をＶ_ＳＡＷ、及び液滴Ｄｐ中の縦波の伝搬速度をＶ_ｌとそれぞれ想定する。この計算モデルでは、時間差ΔＴ_１は、下記演算式（２）；、


によって表され、時間差ΔＴ_２は、下記演算式（３）；、


によって表される。

上記のような計算モデルを用いて、データ処理部１３Ａは、時間差ΔＴ_１、ΔＴ_２を基に液滴Ｄｐの位置と量とを同時に算出する。すなわち、データ処理部１３Ａは、予め設定された値ｉ，Ｖ_ＳＡＷ，Ｖ_１を参照して、圧電基板１０１上の２つの励振電極１０２，１０２Ａの先端の間の既知の距離Ｌから設定される下記演算式（４）；
Ｌ＝ｌ１＋ｌ２＋ｄ …（４）
と、演算式（２）及び演算式（３）とを解くことにより、液滴Ｄｐの直径ｄと距離ｌ１，ｌ２を求めることができる。そして、これらの直径ｄ及び距離ｌ１，ｌ２を基に液滴Ｄｐの量及び位置を算出することができる。また、データ処理部１３Ａは、液滴Ｄｐの位置が既知の場合には、液滴Ｄｐの量及び特性を同時に算出することができるし、液滴Ｄｐの量が既知の場合には、液滴Ｄｐの位置及び特性を同時に算出することができる。

このような変形例によれば、構成を複雑化させることなく正確な液滴位置及び液滴の量の測定を実現することができる。なお、この変形例では、電源回路部を励振電極に対応した個数分設けているが、電源回路部を１つにしてスイッチ等を利用して励振電極１０２，１０２Ａに時分割で交流電気信号を印加するようにしてもよい。その際、時間差ΔＴ_１，ΔＴ_２の検出も交流電気信号の時分割での切り替えに同期して時分割で行われてもよい。

また、図１１には、本発明の他の変形例にかかる弾性波デバイス１Ｂの構成を示している。この変形例では、弾性波デバイス１Ｂの圧電基板１０１上の一方の端部に３つの励振電極１０２，１０２Ｂ，１０２Ｃを設けた弾性波デバイス１Ｂを示している。これらの励振電極１０２，１０２Ｂ，１０２Ｃにはそれぞれ独立した電源回路部が接続されており、それぞれ独立して動作が制御できるように構成されている。また、この弾性波デバイス１Ｂにおける圧電基板１０１上には、励振電極１０２，１０２Ｂ，１０２Ｃのそれぞれの側から液滴Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３をそれらの搬送方向に搬送させるための親水性を有するガイド１０７が設けられている。このガイド１０７は、圧電基板１０１の中央部で合流し、さらに励振電極１０２から離れる方向に向けて延びるように構成されている。このような構成の弾性波デバイス１Ｂによれば、電源回路部の動作制御により、励振電極１０２，１０２Ｂ，１０２Ｃの近傍から延びるガイド１０７上に配置された３つの液滴Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３をガイド１０７に沿って搬送させることができ、それらの３つの液滴Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３を１つの液滴Ｄｐにすることができる。この場合、一体となった液滴Ｄｐは圧電基板１０１に伝搬される縦波により均一に撹拌され混合される。さらに、一体となった液滴Ｄｐを圧電基板１０１上の他方の端部に向けて搬送することができる。なお、ガイド１０７は無くても良いが、ある方が液滴Ｄｐの搬送が容易となる、また、親水性のガイド１０７に代えて凹状に形成した案内溝をガイド１０７とすることもできる。

このような構成の弾性波デバイス１Ｂに対して、図１０と同様な構成の液滴検出装置を用いることにより、液滴Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３，Ｄｐの位置を検出することができる。ただし、この場合は図１０の構成に対して電源回路部を１組追加する。すなわち、液滴Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３が合流する前のタイミングで、信号波形測定器１１Ａ及びデータ処理部１３Ａを動作させることにより、液滴Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３の位置を算出して出力することができるし、液滴Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３が合流した後のタイミングで、信号波形測定器１１Ａ及びデータ処理部１３Ａを動作させることにより、液滴Ｄｐの位置を算出して出力することができる。

また、図１２には、本発明の他の変形例にかかる弾性波デバイス１Ｃの構成を示し、図１２（ａ）は、弾性波デバイス１Ｃを圧電基板の表面側から見た平面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の弾性波デバイス１ＣのＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。このような変形例のように、圧電基板１０１上における励振電極１０２により励振される弾性表面波の進行方向上に液相Ｗ（例えば、水）を介して搬送路プレート１０４を配置してもよい。搬送路プレート１０４は液滴Ｄｐが搬送される面を構成する板部材であり、四角板状に形成された透明なガラス材により構成されており、液相Ｗの表面張力によって圧電基板１０１上に固定されている。このような構成により、圧電基板１０１の洗浄作業を不要として被搬送物（液滴Ｄｐ）の搬送作業の効率を向上させることができるとともに、幅広い種類の被搬送物（液滴Ｄｐ）を扱うことができる。

搬送路プレート１０４は、透明なガラス材で構成したが、圧電基板１０１で生じた弾性表面波に起因する放射圧によって液滴Ｄｐを変位させることができる物質であれば、これに限定されない。たとえば、ガラス系の材料以外に、鉄系、非鉄系の材料で搬送路プレート１０４を構成してもよい。

液相Ｗは、弾性表面波から放射された縦波を伝搬できる液体であれば、水に限定されるものではない。具体的には、揮発し難い液体であって非圧縮性の流体であればよい。この場合、非圧縮性の流体とは、圧縮率が１５°Ｃ雰囲気中において、概ね２×１０^−９（１／Ｎ／ｍ^２）以下の流体である。

１，１Ａ，１Ｂ…弾性波デバイス、３，３Ａ…正弦波発生器（交流信号生成回路、電源回路部）、５，５Ａ…パルス波発生器（パルス信号生成回路、電源回路部）、７，７Ａ…信号増幅器（合成回路、電源回路部）、９，９Ａ…ブリッジ回路、１１，１１Ａ…信号波形測定器、１３，１３Ａ…データ処理部（演算回路部）１００，１００Ａ…液滴検出装置、１０１…圧電基板、１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ，１０２Ｃ…励振電極、１０４…搬送路プレート、Ｄｐ，Ｄｐ１，Ｄｐ２，Ｄｐ３…液滴、ＲＴ_１，ＲＴ_２…伝搬経路。

Claims (6)

1. 圧電基板上に弾性表面波を励振させるための励振電極が設けられ、前記圧電基板上で液滴を搬送する弾性波デバイスと、
   前記励振電極に所定周波数の交流電気信号を設定された時間幅で印加する電源回路部と、
   前記励振電極における前記交流電気信号の反射信号を測定する検出回路部と、
   前記検出回路部によって測定された前記反射信号と前記交流電気信号との時間差を検出し、前記時間差を基に前記圧電基板上の液滴の位置を算出する演算回路部とを備え、
   前記演算回路部は、前記反射信号の伝搬経路を、前記液滴と前記圧電基板の界面の反対側の表面と、前記液滴と前記圧電基板の界面とを経由して前記液滴を循環する経路に設定した演算式を用いることにより、前記時間差から前記位置を算出する、
   液滴検出装置。
2. 前記電源回路部は、前記交流電気信号を発生させる交流信号生成回路と、前記時間幅のパルス信号を繰り返し発生させるパルス信号生成回路と、前記パルス信号に前記交流電気信号を重畳させる合成回路とを有する、
   請求項１記載の液滴検出装置。
3. 前記パルス信号生成回路は、前記パルス信号の時間幅を可変に設定可能に構成されている、
   請求項２記載の液滴検出装置。
4. 前記演算回路部は、前記弾性表面波の前記圧電基板上の伝搬速度（Ｖ_ＳＡＷ）、前記励振電極の前記液滴の搬送方向の幅（ｉ）、前記励振電極の前記液滴側の先端と前記液滴の前記励振電極側の先端との距離（ｌ）、前記液滴の直径（ｄ）、及び前記液滴中の縦波の伝搬速度（Ｖ_ｌ）と、前記時間差（Δｔ）との間の下記の演算式（１）；
   
   を用いて前記距離（ｌ）を算出し、前記距離（ｌ）を基に前記位置を算出する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の液滴検出装置。
5. 前記弾性波デバイスは、前記圧電基板の表面に発生した前記弾性表面波が伝搬する伝搬面に液相を介して配置された搬送路プレートをさらに含む、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の液滴検出装置。
6. 圧電基板上に弾性表面波を励振させるための励振電極が設けられ、前記圧電基板上で液滴を搬送する弾性波デバイスを用いた液滴位置を検出する方法であって、
   前記励振電極に所定周波数の交流電気信号を設定された時間幅で印加し、
   前記励振電極における前記交流電気信号の反射信号を測定し、
   測定した前記反射信号と前記交流電気信号との時間差を検出し、前記反射信号の伝搬経路を、前記液滴と前記圧電基板の界面の反対側の表面と、前記液滴と前記圧電基板の界面とを経由して前記液滴を循環する経路に設定した演算式を用いることにより、前記時間差から前記圧電基板上の液滴の位置を算出する、
   液滴検出方法。