論 文 日本大学生産工学部研究報告Ａ2005年 ６ 月 第 38巻 第 １ 号

液滴の超音波浮揚

大塚哲郎 ・中根偕夫

Ultrasonic Levitation of Liquid Droplets

Tetsuro OTSUKA and Tomoo NAKANE

This research describes a basic experiment on ultrasonic levitation of liquid droplets.

A stepped circular vibrating plate was used to generate high intensity ultrasound field at the fre-

quency of 28 kHz,and the sound pressure level high up to 160 dB was obained in a standing wave field.

Liquid samples were inserted at the node of sound pressure distribution,and the dimensions of samples

were measured by a high frame rate image camera.

As a result,it was found that the droplets were levitated in the pressure node(velocity anti-node)of

the standing wave,and the levitated position was slightly moved by the size,weight,or sound pressure,

etc..Moreover,we found that the droplets were broken up in three types while being deformed like a

sheet,a concave liquid pressed from the head,or a convex liquid pressed from the tail.

キーワード：段つき円形振動板，液滴の浮揚，液滴の挙動，放射圧，定在波

１.はじめに

超音波浮揚に関する実験は，「ふわっと92」宇宙実験

の一部として，水滴を空間に保持する実験装置に組み込

まれた。しかし，微小重力下での実験であり，地上での

シミュレーションと異なる要因のため，期待通りの成果

が得られなかったと報告されている。

そこで，本研究では地上において超音波により液滴を

空中に浮揚させ，液滴の形状変化を計測することで，液

滴の挙動に関する基礎データを得ることを目的とした。

この超音波音源は，筆者らが開発している段つき円形

振動板を使い，周波数28kHzで設計し，定在波音場内に

音圧レベル160dBが得られる様に設計された。使用し

た液滴は，水またはグリセリンを使用し，マイクロピペッ

トで音圧分布の節に挿入し，高速度カメラにより液滴の

形状変化を計測した。

その結果，超音波浮揚している液滴の形状は，音圧の

大きさあるいは，液滴の大きさ，重さにより偏平化し，

浮揚位置が異なることが分かり，その後飛散する過程で，

重力方向に引かれる場合，あるいは逆に重力方向に逆

らって飛散(破裂)することが確認された。このように，

重力場における超音波浮揚の実験的な現象解析から貴重

なデータが得られたので報告する。

―35―

日本大学生産工学部電気電子工学科専任講師

日本大学生産工学部電気電子工学科助教授

＊1 宇宙開発事業団(現JAXA)によりNASAのスペースシャト

ル(エンデバー)を利用した材料実験やライフサイエンスに

関する宇宙実験

２.実験装置

超音波浮揚のための実験装置の概略をFig.1に示す。

超音波発生用振動板として，外径62mmの２節円モー

ド段つき円形振動板 を28kHzで設計し，ジュラルミン

丸棒から旋盤加工で切り出して使用した。この振動板を

エクスポネンシャルホーンで中心駆動し，振動板はバッ

フルに埋め込むように配置して音源とした。この音源全

体は，装置の上部に設置し，超音波放射方向と重力方向

が同じになるように設置した。超音波浮揚装置は種々

案 されているが，本実験装置のように音源を上に設

置し，１軸の超音波音場だけで構成された超音波浮揚実

験装置は例がない。

強力超音波音場については，音源から74mm離して

反射板を設置し，定在波音場を構築した。Fig.2には，音

場断面80mm×60mmの範囲で，コンデンサマイクロ

フォン(B&K4138)を走査して測定した音圧分布を示し

ている。音圧については左側のカラーバーで大きさの分

布を示しており，中心軸上に鋭い指向性のあることを示

している。また，Fig.3には，中心軸上の音圧分布を示し

ており，出力電圧から音圧を換算すると，図中A点で

161.5dB(2400Pa)，B点で148dB(500Pa)を示し，C点

で160dB(2000Pa)であった。

液滴の挿入にはマイクロピペットを使用し，水または

グリセリン100μlを吸引し，直径３mm～６mmの液滴

を作った。ここで，液滴の浮揚位置をFig.3中に示すと，

Liquid sampleと示した位置になり，音圧分布の節(谷)

で浮揚することが分かる。このとき浮揚した液滴は，約

1500Paから2000Paの超音波による交番圧力差を上下

から受けており，放射圧によりこの位置に押さえ込まれ

る様に浮揚(固定)していると えられる。また，浮揚し

ている液滴は音圧の大きさにより形状を変え，回転する

ことがあるので，回転方向検出用として，直径300μmの

活性炭微粒子をグリセリンに混入し，トレーサ粒子とし

て使用した。なお，参 のため浮揚物体が煙のような微

粒子のときは，音圧分布の節(谷)から腹(山)方向に微粒

子は拡散するが，浮揚(固定)されない。

液滴の形状変化については，高速度カメラにより時系

列で画像を記録し，得られたデータより形状変化や回転

などを算出した。ここで，使用した高速度カメラ

(Photron Net Cam-C)はシャッタースピードが1

20000であり，フレームレートは3000fpsまで可変できるの

で，測定目的に応じて変更し使用した。

―36―

Fig.2 Sound pressure distribution in standing wave

field.The directional pattern was measured in

free field and was obtained 9 degrees on the

center axis of the field.

Fig.1 Picture shows the experimental setup.The

ultrasound source was held upside-down to

produce ultrasound downward.

Fig.3 Sound pressure distribution of the center axis

of the standing wave field.The sound pres-sure was measured 161.5 dB at point A,148 dB

at B and 160 dB at C.The sign G indicates the

gravity.The liquid sample was levitated at

the position B.

３.水滴の形状変化

強力定在波音場内に液滴を挿入すると，音圧の大きさ

により液滴が扁平化する ことはすでに知られてい

るが，ここでは液滴の大きさにより，形状，浮揚位置，

飛散の仕方について検討した。

3.1 浮揚位置

まず，水滴をマイクロピペットで，Fig.3のB(音圧分

布の節)に挿入し，浮揚中の液滴の形状変化を検討した。

Fig.4に浮揚している水滴の形状を示す。このとき，高速

度カメラは，音源から300mm離して設置し，シャッ

タースピード12000

，フレームレート2000fpsに設定

し，以下同様の条件で実験を行った。図(a)については液

滴の扁平形状を詳細に把握するために液滴を20度上か

ら測定した。また，(b)は真横から撮影したものであり，

液滴の縦横比から扁平率 は0.5と換算できる。さらに，

(c)はミラー越しに液滴を下から撮影したものであり，円

盤状に潰れていることを示している。

次に，液滴の大きさを変えて実験した結果，大きさに

より浮揚位置に違いのあることが分かった。Fig.5に液

滴の大きさと浮揚位置の関係を示す。図の(a)，(b)，(c)は

液滴の横幅を約２mm，３mm，４mmとして測定したも

のである。図よりその形状は，液滴が小さいと(a)のよう

に楕円状になることがわかる。外径が(b)から(c)と大きく

なると，表面張力，粘性や自重，あるいは，超音波から

受けるエネルギとのバランスにより，(c)のように液滴底

部が重力で引っ張られて凸になり，液滴上部は平坦に押

しつぶされるように変形することがわかる。

また，図の大きさから液滴の体積比を楕円体として換

算すると，(a)を基準に１：3.4：８となり，浮揚位置を左

側のスケールから換算すると，直径が(c)のように２倍に

なると約１mm下がることが分かった。

このように，液滴の形状変化，あるいは位置の変化に

より強力超音波音場から受ける音響エネルギはFig.3

で示した音場のそれと異なると えられる。例えば，液

滴の大きさに対しては超音波の波面から受ける投影面積

が関係し，浮揚位置に対しては音源と反射板との位置関

係から定在波の発生に影響し，波形歪が生じることが

えられる。従ってこれらが複雑に関係して音場全体が変

化していると えられる。

ここで村井ら は，閉空間で超音波浮揚現象について

シミュレートしているが，浮揚物体の大きさにより浮揚

位置が変わり，音場全体から物体に働く力が大きく変化

するとしている。さらに，浮揚物体を音場に挿入するこ

とにより，浮揚物体上下の音圧が変化し，音場全体が大

きく乱れるとしている。本実験は，閉空間ではないが，

液滴の扁平化した大きさや位置により，村井らと同様な

現象が発生していると えられる。

―37―

Fig.4 Pictures were taken in three angles.Figure(a)shows upper view taken at 20 degrees above

the droplet,(b)side view and(c)bottom view

through the mirror.

Fig.5 Figures show the dimension of droplets with

increasing diameter.The bigger the diameter,the lower the position was shifted.In figure(c),the head was pressed flat and the tail was

pulled out,and the droplet formed the convex

liquid.

3.2 液滴の回転

浮揚している液滴は，形状変化に伴い音場全体から受

ける音圧が変化するため，振動したり重心の移動等が

えられ，回転する ことが分かった。

Fig.6に直径３mmのグリセリン液滴が回転する様子

を示し，図中のRLは左右の回転方向(Top View)を示

している。また，回転の測定には，液滴内に混入させた

微粉炭をトレーサとして使用し，時系列データから周期

を算出した結果を示した。ここで回転方向の決定には，

音響的要因と液滴自身の要因が えられる。すなわち，

前者は液滴挿入時の位置や音圧の大きさにより，液滴表

面からの音響エネルギの加わり方が変化するという え

方である。また後者としては，液滴の大きさや粘性など

により液滴の形状が変わり，液滴の重心の位置が変化し

回転モーメントが発生し慣性となることが えられる。

しかし，浮揚時には液滴は時系列で形状変化をするため，

一義的に回転方向を特定することは困難であると えら

れる。

Fig.7に振動子入力に対する回転周期を示す。図は左

右の両回転を示しているが，入力が小さいほど回転周期

にばらつきがある。これは，入力電力が小さい時は，液

滴の浮揚位置が変動したり，形状が安定しないため，回

転周期にムラが生じると思われ，入力の増加により液滴

の扁平度が上がり，形状が安定し回転周期の変化が少な

くなるものと思われる。

ここで，回転制御には，直交する超音波音場を複数構

築することにより可能になり，３軸制御も 案 されて

いる。

3.3 飛散

音圧を徐々に増加すると液滴は扁平化することはすで

に述べたが，この形状変化する過程で液滴周囲から加わ

―38―

Fig.6 Pictures demonstrate Right and Left rotation

while being levitated.The tracer particle

made of fine granular charcoal was mixed in

the Glycerin.The data were captured in 2000

FPS.Figure(a)shows the Right rotation in

160mS time interval,and(b)Left rotation in

85mS time interval.

Fig.7 Showing the rotation period with increasing

input power to the transducer.The accuracy

was not good enough due to the turbulence,the center of gravity changing as the shape

changed,or self oscillation,etc.,but the rota-tion speed was increased with the input in-creased.

Fig.8 Pictures display three types of break up.The

droplet is pressed from both head and tail and

is flattened like a sheet as shown in type(a).In type(b),it is pushed outward as a concave

liquid.In type(c),the breakup is started from

the head of droplet.

る圧力と表面張力の平衡状態が崩れると，液滴は飛散す

る ことが分かり，この飛散の仕方と液滴の大きさや

浮揚位置に関係について検討した。

Fig.8(a)，(b)，(c)は，Fig.5に示した液滴について音

圧を増加(番号順に)して測定した結果である。(a)は液滴

直径２mmの場合で，浮揚位置はほぼ音圧分布の節

(Fig.3中B)に位置している。図より１から順に時系列

で形状変化するが，３では円盤状に平面に潰れ，円盤周

囲から微粒子を形成しながら４，５と変化し，飛散する。

(b)は，液滴を20度上から撮影したものであり，平面状に

扁平するが周囲は厚みを保持しながら広がり，４のよう

に液滴底部が上から下に向けて抜け飛散することが分か

る。さらに，(c)では(a)に比べ体積が８倍あるため，(a)と

(b)のようにシート状には扁平化せず，２のように約１

mmほどの厚さまで扁平化する。しかし，４のように液

滴底部が上に向けた力により(b)と逆に上に向けて抜け

ながら飛散することが分かった。従って，液滴の大きさ

と浮揚位置により液滴の飛散形態が変わり，重力方向に

働く力と，その逆に重力に逆らって働く直流的な力があ

ることが確認できた。

４.結言

液滴の超音波浮揚に関する実験は，上村ら あるいは

Wangら ，Lierke により試みられているが，本研

究では段つき円形振動板を上にした１軸の超音波音源で

強力超音波音場を構築し，オープンスペースで浮揚実験

を試み，次のような結果が得られた。

(1)液滴の浮揚位置は，ほぼ音圧分布の節(音圧の谷)

にある。これは，液滴が上下から音圧による放射圧

を受け，押さえ込まれる様にこの位置に固定される。

さらに挿入する液滴の大きさ(重さ)あるいは加え

る音圧により，浮揚位置が微小に変化することが分

かった。これは，音場内に発生する定在波が，液滴

の形状変化に伴い複雑に変化することを意味してい

る。

(2)液滴は音圧の大きさにより扁平化するが，過大な

音圧により飛散することが分かり，その飛散の仕方

は，液滴が扁平化した大きさや浮揚位置に関係する

ことが分かった。

以上，超音波浮揚している液滴の挙動について，地上

実験を行って調べてみた。このデータは，今後FMTP 等

の宇宙実験を検討する際に，液滴の回転制御あるいは位

置制御について貴重な実験結果となるものと えられる。

参 文献

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Sato:Jpn.J.Appl.Phys.,Suppl 21-3(1982)202-

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４)山中龍夫，上村平八郎：「ふわっと92宇宙実験成果

報告会予講集」，92-94，1992

５)波田野 甫，梶谷真裕：超音波テクノ，Vol.６，No.

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６)上村平八郎，東 久雄：超音波テクノ，Vol.６，No.

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７)三留秀人：超音波テクノ，Vol.７，No.９(1995)63-67

８)T.Otsuka,K.Higuchi and K.Seya:Jpn.J.Appl.

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９)橋場邦夫，寺尾 憲，久納孝彦：日本機会学会誌

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10)T.Yamanaka,M.Saito and H.Kamimura:Proc.

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11)E.G.Lierke:Acustica,88(2002)206-217

12)大塚哲郎，樋口和貴，笹井政尚，瀬谷浩一郎：日本

音響学会講演論文集 平成３年３月，1-1-4

13)T.Otsuka and T.Nakane:Jpn.J.Appl.Phys.,

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14)大塚哲郎，瀬谷浩一郎：日本音響学会講演論文集

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15)村井忠邦，加川幸雄：日本シミュレーション学会，

第６回電気・電子工学への有限要素法の応用シンポ

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16)大塚哲郎，中根偕夫：日本音響学会講演論文集2002

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17)C.P.Lee,A.V.Anilkumer and T.G.Wang:Phys.

Fluid A3(11),November 1991,2497-2515

18)A.V.Anilkumer,C.P.Lee and T.G.Wang:Phys.

Fluid A5(11),November 1993,2763-2774

19)T.G.Wang,A.V.Anilkumer,C.P.Lee and K.C.

Lin:J.Fluid Mech.(1994)Vol.276,389-403

(H16.12.10受理)

―39―

＊2 日本の本格的な宇宙材料実験で，第１次材料実験を示す。これ

は，スペースシャトルのカーゴベイを実験ラックとして借用

した有人宇宙実験で，この実験装置内に，音波浮遊炉や液滴マ

ニピュレーション実験装置が組み込まれた。