超音波浮揚とその産業用途

超音波浮揚／音響浮揚は、軽量で繊細な材料の非接触支持やサンプルの非接触ハンドリングに利用できる、産業分野で実証済みの方法です。超音波浮揚と、産業・科学分野でのその用途について詳しくご紹介します。

超音波浮揚の用途

音響浮揚は、材料の非接触ハンドリングやサンプルの位置決めに用いられる、科学的に実証され、産業分野で採用されている方法です。非接触ハンドリング方法としての超音波浮揚は、ウェハー、マイクロチップ、薄いガラス板など、表面が損傷しやすく壊れやすい加工対象物を、機械的な衝撃を与えずに操作するために使用されます。材料やサンプルを非接触で取り扱えるため、超音波浮揚は産業、科学、分析の各分野で導入されています。
産業分野では、わずかな物理的接触でも損傷しやすいマイクロチップやその他の小型で繊細な物体を、非接触かつ容器を使用せずに処理するための信頼性の高い方法として、超音波浮揚が使用されています。また、容器の影響を受ける極めて高純度の材料や化学反応物の取り扱いにも利用されています。

化学分野では、浮遊する液滴を微小な反応容器として利用でき、研究者は容器壁からの汚染を低減しながら、試薬を組み合わせて反応を観察できます。
材料科学の研究者は、浮揚させたサンプルを用いて蒸発、結晶化、粒子形成を調べ、分析分野の研究者は、光学的手法や分光学的手法で浮遊サンプルを調べることができます。
専用の音響ハンドリングシステムは、シリコンウェハー、マイクロチップ、薄いガラスなどの壊れやすい部品を、機械的損傷のリスクを低減して搬送する用途にも対応します。
粒子で被覆された液体ロボット（Particle-armored liquid roBots、PBs）にとって、音響浮揚は有望な研究の方向性をもたらします。周囲の表面との接触を最小限に抑えながら、封入された試薬を搬送し、液滴同士を近づけて制御された反応を行い、処理ステーション間でロボットを移送することができます。 粒子で被覆された液体ロボットの音響浮揚について詳しくご覧ください！
 

超音波浮揚の動作原理

音響浮揚とは、流体、通常は気体（例：空気）に超音波を作用させることを指します。超音波が気体中を伝わると、音波が重力と釣り合い、その結果、物体は支えなしで空中に浮遊できます。音波の中で物体が自由に浮遊するこの効果には、定在波という現象が必要です。定在波は、互いに反対方向から来る二つの同一の波が重なり合うことで形成されます。そのため、音響浮揚の装置構成では、超音波振動子で縦方向の圧力波を発生させ、反対側の反射板でその波を反射させます。これにより、両側から来る同一の波が重なり合い、定在波を形成できます。

節と腹： 強力な超音波の縦方向の圧力波によって、物体を非接触で空中に浮遊させることができます。このような超音波の定在波には、明確な節があります。節は圧力が最小となる領域であり、腹は圧力が最大となる領域と定義されます。定在波の節は、音響浮揚において中心的な役割を果たします。
超音波浮揚装置は、超音波プローブ（すなわちソノトロード）の上方に定在波の場を形成し、反射板を使用することで動作します。

超音波浮揚装置

Hielscher Ultrasonicsは、高品質・高性能の超音波装置の設計、製造、販売において、長年にわたる豊富な経験を有しています。音響浮揚向けに、Hielscherは二種類の標準浮揚装置を提供しています：
 

• UP100H – 30kHz、100 Wの浮揚装置
• UP400St – 24kHz、400Wの浮揚装置
• UIP500hdT – 20kHz、500Wの浮揚装置

超音波プロセッサーUP400Stは、振動子と発振器を堅牢な筐体内に一体化したコンパクトなシステムです。出力500ワットの浮揚装置UIP500hdTは、振動子と発振器が分離しています。IP64等級の振動子を備えたUIP500hdTは、厳しい環境への設置に最適です。
超音波浮揚装置は、単独でも並列でも設置でき、高速かつ高処理能力の処理ラインで稼働できます。
特定の要件に対応するため、Hielscher Ultrasonicsは、カスタマイズされた浮揚装置や独自仕様の浮揚装置の設計・製造も行っています。

文献／参考文献

• Hyobin Jeon, K. Park, j.-Y. Sun, H.-Y. Kim (2025): Particle-armored liquid robots. Science Advances Volume 11, Issue 12, 21 Mar 2025.
• Andrade, M.A.B.; Pérez, N.; Adamowski, J.C. (2018): Review of Progress in Acoustic Levitation. Brazilian Journal of Physics 48, 2018. 190–213.
• Malte Junk, Jörn Hinrichs, Fritz Polt, Jonas Fechner, Werner Pauer (2020): Quantitative experimental determination of evaporation influencing factors in single droplet levitation. International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 149, 2020.
• Junk, Malte (2019): Tropfenverdunstung im akustischen Levitator. Dissertation Universität Hamburg. Fachbereich Chemie der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften, Universität Hamburg 2019.