CN113015900A - 流体检测传感器以及流体检测装置 - Google Patents

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Abstract

本公开的流体检测传感器具备：光学传感器，其具有在基板上沿着长边方向配置的包含多个发光元件的发光元件列以及包含多个受光元件的受光元件列；流路构件，其包含与光学传感器对置地沿着长边方向配置的透光性的管状体，管状体的内侧为实质上不混合的多个流体作为段塞流而流动的流路；以及反射构件，其相对于流路配置在光学传感器的相反侧，由受光元件列对发光元件列向流路的段塞流照射并由反射构件反射的光进行受光，检测根据流体的移动而产生的光的变化。

Description

流体检测传感器以及流体检测装置
技术领域
本公开涉及适合于针对通过实质上不混合的流体在细管状的流路中流动而形成的段塞流，检测其移动速度等的变化的情形的流体检测传感器以及流体检测装置。
背景技术
将如气体与液体、或者水性液体与油性液体等这样的相互实质上不混合的流体交替地成为被称为段塞的块而在由内径到数mm左右的圆管等管状体形成的流路中排列地流动的状态的流动称为段塞流。段塞流的相互不熔合的流体独立地在流路内流动，因此在各个段塞内产生循环流，能够兼顾由该循环流带来的较高的局部混合性能和由低剪切性带来的温和的搅拌条件。此外，由于通过段塞的循环流，还频繁地进行气体与液体的界面或液体与液体的界面处的浓度更新，因此也具有促进相互的流体相间的物质移动的效果，进而通过促进物质移动，还具有提高反应效率的效果。因此，段塞流被期待应用于作为微反应器的各种反应、配管的清洗等或者生物系领域等中的搅拌操作等或者稀有金属的分离、回收等的各种领域。
此外，在段塞流的应用时，其流动的检测是重要的。因此，提出了使用光学传感器来进行段塞流的检测的各种结构。例如，在日本特开2005-216730号公报中，作为用于检测从直接甲醇型燃料电池排出的气液二层流的段塞流中的弯月面(Meniscus)的液相或气相的流体检测单元，记载了在流出路的一部分具备透明部，并且在其上游侧和下游侧配置分别成对的光学传感器。由此，能够检测段塞流中的弯月面的液相以及气相，能够以简易的结构来检测燃料电池的排出侧的液体、气体。
此外，在日本特开2010-71711号公报中记载了为了测定血液过滤器中的血液(第1流体)的移动速度或者空气(第2流体)相对于血液的导入量，具有管状构件和多个光传感器的流量传感器，其中，该管状构件具有直线部，该多个光传感器用于检测在直线部移动的第1流体与第2流体的界面。由此，能够通过多个光传感器检测界面的移动速度，还能够测定移动速度的随时间变化。
在这些专利公报中记载的流体检测单元以及流量传感器分别专用于固有的目的，均仅使用受光传感器来想要检测流体的界面。因此，期望一种对于由各种流体的组合形成的各种各样的段塞流，适合检测该段塞的移动速度、大小以及它们的变化的具有良好的感测性能的流体检测传感器以及使用该流体检测传感器的流体检测装置。
发明内容
本公开的流体检测传感器具备：光学传感器，其具有在基板上沿着长边方向配置的包含多个发光元件的发光元件列以及包含多个受光元件的受光元件列；流路构件，其包含与该光学传感器对置地沿着长边方向配置的透光性的管状体，该管状体的内侧为实质上不混合的多个流体作为段塞流而流动的流路；以及反射构件，其相对于所述流路配置在所述光学传感器的相反侧。由所述受光元件列对所述发光元件列向所述流路的所述段塞流照射并由所述反射构件反射的光进行受光，检测根据多个所述流体的移动而产生的光的变化。
本公开的流体检测装置具备：上述的流体检测传感器；以及处理部，其控制所述发光元件列的多个所述发光元件中的发光，检测所述受光元件列的多个所述受光元件中的与根据多个所述流体的移动而产生的光的变化相应的输出电流的变化，根据检测到的该输出电流的变化获取与所述段塞流相关的信息。
附图说明
图1是示出本公开的流体检测传感器的实施方式的一个例子的图，图1的(a)是部分透视立体图，图1的(b)是沿着长边方向的侧视图，图1的(c)是在与长边方向正交的剖面观察的剖视图。
图2的(a)以及图2的(b)分别是示出本公开的流体检测传感器的实施方式的其他例的与图1的(c)同样的剖视图。
图3是示出本公开的流体检测传感器的实施方式的其他例的与图1的(c)同样的剖视图。
图4的(a)以及图4的(b)分别是示出本公开的流体检测传感器的实施方式的其他例的与图1的(c)同样的剖视图。
图5是示出本公开的流体检测传感器的实施方式的其他例的与图1的(c)同样的剖视图。
图6的(a)以及图6的(b)分别是示出本公开的流体检测传感器中的光学传感器的实施方式的一个例子的俯视图。
图7是示出本公开的流体检测传感器中的光学传感器的实施方式的其他例的俯视图。
图8是示出本公开的流体检测传感器的实施方式的其他例的与图1的(c)同样的剖视图。
图9是示出本公开的流体检测传感器的实施方式的其他例的图，图9的(a)是与图3同样的剖视图，图9的(b)是从横向仰视其一部分的状态的立体图。
图10是示出本公开的流体检测传感器的实施方式的其他例的与图3同样的剖视图。
图11是示出本公开的流体检测传感器的实施方式的其他例的与将一部分立体图的图3同样的剖视图。
图12是示出针对反射构件相对于本公开的流体检测传感器中的光学传感器的配置的实施方式的其他例的与图7同样的俯视图。
具体实施方式
本公开的流体检测传感器由受光元件列对发光元件列向流路的段塞流照射并由反射构件反射的光进行受光，检测根据多个流体的移动而产生的光的变化。由此，适合于对于各种各样的段塞流，检测段塞的移动速度、大小以及它们的变化，能够得到良好的感测性能。
本公开的流体检测装置具备：本公开的流体检测传感器；以及处理部，其控制发光元件列的多个发光元件中的发光，检测受光元件列的多个受光元件中的输出电流的变化，根据输出电流的变化获取与段塞流相关的信息。由此，适合于对于各种各样的段塞流，检测段塞的移动速度、大小以及它们的变化，能够得到良好的感测性能。
以下，参照附图对本公开的流体检测传感器以及流体检测装置的实施方式的例子进行说明。另外，以下的例子是例示本公开的实施方式的例子，本公开并不限定于这些实施方式。
图1的(a)是示出本公开的流体检测传感器的实施方式的一个例子的部分透视立体图。图1的(b)是沿着流路构件的长边方向的侧视图。图1的(c)是在与流路构件的长边方向正交的剖面观察的剖视图。本公开的流体检测传感器1具备：光学传感器5，其具有在基板2上沿着长边方向配置的包含多个发光元件3a的发光元件列3以及包含多个受光元件4a的受光元件列4。此外，具备：流路构件9，其包含与该光学传感器5对置地沿着长边方向配置的透光性的管状体6，该管状体6的内侧为实质上不混合的多个流体7(7a、7b)作为段塞流而流动的流路8。此外，具备：反射构件10，其相对于流路8配置在光学传感器5的相反侧。
另外，在图1的(a)中，以透视的状态示出了配置在基板2的下表面的包含多个发光元件3a的发光元件列3以及包含多个受光元件4a的受光元件列4。此外，对于构成段塞流的相互实质上不混合的多个流体7a、7b，分别施加阴影线而示出。在流路8的左右示出的空心箭头表示流体7的流动的方向，在图1的(a)中，流体7从图的左朝向右方向流动。图1的(b)以及图1的(c)所示的单点划线的箭头虚拟地示出了从发光元件3a发出通过流路构件9并由反射构件10反射的光再次通过流路构件9朝向受光元件4a的情形。另外，该单点划线未必正确地示出了光路。此外，若通过流路8的流体7(7a、7b)的折射率不同，则该光路根据折射率的不同而变化。
根据这样的流体检测传感器1，由受光元件列4的受光元件4a对发光元件列3的发光元件3a向在流路构件9的流路8流动的段塞流照射并由反射构件10反射的光进行受光，检测根据多个流体7(7a、7b)的移动而产生的光的变化。由此，对于由各种流体7(7a、7b)形成的各种各样的段塞流，能够光学地检测段塞(各个流体7(7a、7b))的移动速度、大小以及它们的变化。
在此，根据多个流体7(7a、7b)的移动而产生的光的变化起因于实质上不混合的多个流体7(7a、7b)的各种特性的不同。作为这样的特性的不同，例如能够例示折射率、透明度以及颜色的不同等。或者也能够例示由流体7中的粒子等的有无或大小、量、色调等的不同、具体地包含胶体粒子的悬浊液或乳浊液等这样的不同引起的光的透射率的不同等。或者还能够例示由流体7中的气泡的有无或大小、量的不同引起的光的透射率的不同等。作为这样的流体7的组合，只要是不相互混合地在流路8内形成段塞流的组合，就能够应用于气体与液体的组合或水性液体与油性液体的组合等各种组合。
作为形成能够适合应用本公开的流体检测传感器1的段塞流的基于液体-液体的流体7(7a、7b)的组合，例如作为用于从锂(Li)等碱金属离子水溶液提取锂的反应，可列举水与环己烷的组合。
此外，在使用段塞流进行有机合成的目的中，作为有机溶剂，可列举己烷、庚烷这样的脂肪族烃的溶剂、甲苯、二甲苯、乙基苯这样的芳香族烃的溶剂、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳这样的含卤素烃的溶剂或N，N-二甲基甲醛、亚砜、乙腈、吡啶这样的含杂原子烃的溶剂。通过将这些有机溶剂用于第1流体7a，在第2流体7b中使用与这些实质上不混合的液体或气体，从而能够在流路8中形成段塞流，进行各种合成反应等。
此外，作为形成段塞流的基于气体-液体的流体7(7a、7b)的组合，例如，作为用途，作为用于得到丙酮酸乙酯的乳酸乙酯的氧化反应，可列举作为气体的氧或空气与作为液体的乳酸乙酯的组合、作为通过硝基苯的直接羰基化而得到异氰酸苯基的反应，可列举作为气体的一氧化碳与作为溶解了催化剂的液体的硝基苯的组合、作为用于得到1-茚酮的茚满的光氧化反应，可列举作为气体的氧与作为液体的茚满的组合这样的组合。
流路构件9包含透光性的管状体6，并沿着基板2的长边方向配置，使得沿着光学传感器5的发光元件列3以及受光元件列4的排列对置。该管状体6的内侧为多个流体7(7a、7b)作为段塞流而流动的流路8。管状体6使用适合于确保段塞流流动的流路8的尺寸。通常，例如使用内径(流路8的直径)为0.5～2mm左右，外径与其对应为1～4mm左右的管状体。流路构件9的长度根据段塞流的目的适当设定，但是本公开的流体检测传感器1所需的长度只要与光学传感器5的长度相同程度即可。
为了使用光学传感器5进行段塞流的检测，管状体6需要为透光性。另外，所谓的透光性不需要完全透明，只要具有在通过光学传感器5检测根据流体7的移动而产生的光的变化上所需的光的透射性即可，可以是光的透射性良好的所谓的透明，也可以是半透明。此外，管状体6在本例子中剖面形状为圆形形状的圆管，但是并不限于此，剖面形状也可以是四边形形状、三角形形状或者六边形形状等的方管。只要根据流体7、光学传感器5以及反射构件10的光学上的组合，选定如能够设定对检测适当的光路那样的形状以及尺寸的管状体6，构成流路构件9即可。
作为管状体6的材质，例如能够使用各种玻璃、石英、水晶、蓝宝石或聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)这样的各种树脂等。管状体6的材质也考虑与流体7的亲和性或者耐性等形成段塞流上的条件来选定。例如，在使用PTFE这样的疏水性的材质的管状体6的情况下，作为流体7，水相的物质成为段塞(液滴)，油相的物质成为分散相而形成段塞流。相对于此，在使用如玻璃这样的亲水性的材质的管状体6的情况下，作为流体7，水相的物质成为分散相，油相的物质成为段塞(液滴)而形成段塞流。
关于构成流路构件9的管状体6，其折射率优选与多个流体7(7a、7b)的至少一个的折射率不同。由此，适合于伴随着流体7的移动而起因于折射率的不同而产生的光的变化的检测。作为折射率的不同程度，如果使想要通过折射率的不同来检测光的变化的情况，则例如优选值至少大致0.05以上不同。
作为流路构件9的管状体6与流体7的组合及其折射率的关系，例如，如果是在管状体6中使用折射率为1.35的PTFE的情况，则若使用水(折射率为1.33)作为流体7a并使用环己烷(折射率为1.426)作为流体7b而形成段塞流，则能够用光学传感器5良好地检测根据其移动而产生的光的检测。
此外，作为流体7的组合，除此以外，还能够通过作为一个流体7a使用水，作为提取用的流体7b使用己烷(折射率为1.372～1.3754)或煤油(灯油)(折射率为1.44)或者作为有机反应用溶剂的流体7b使用甲苯(折射率1.496)或p-二甲苯(折射率为1.493～1.4958)，形成良好的段塞流。另外，作为以上的折射率，也可以使用最广泛使用的nd25。折射率nd25是在25℃的环境下以钠的D线为光源测定的折射率的值。
光学传感器5具有例如在长方形形状的基板2上分别配置有多个发光元件3a以及多个受光元件4a的发光元件列3以及受光元件列4。发光元件3a以及受光元件4a可以如后述的那样直接形成在基板2，也可以将个别元件搭载在基板2上。
作为发光元件3a，例如使用发光二极管(LED)或激光二极管(半导体激光器)(LD)、EL(Electro Luminescence，电致发光)元件等频率响应性优异的光源。优选在本例子的发光元件3a中使用发光二极管。关于发光二极管，发光波长的选择范围广，频率响应性优异、还适度地具有发光的扩展，因此能够对流路8没有极端的偏倚地照射光，用于检测的光学上的配置的容许度也良好，因此对于各种流体7容易选定适合的光源。
作为受光元件4a，例如使用如光电二极管(PD)那样的与发光元件3a的发光的匹配良好并且频率响应性优异的元件即可。
反射构件10相对于流路8配置在光学传感器5的相反侧。从光学传感器5的发光元件3a照射到流路8的段塞流的光通过包含流路8的流路构件9入射到反射构件10，在反射构件10的表面反射，再次通过流路构件9，由光学传感器5的受光元件4a受光。通过调整距流路构件9的距离、经由流路构件9的与光学传感器5的位置关系以及角度等，适当地设定反射构件10的配置，从而调整从发光元件3a到达受光元件4a的光路，能够良好地检测与流路8中的段塞流的移动相应的光的变化。在由该反射构件10进行的反射中，利用基于正反射的反射光，在光学上的检测中确保充分的光量。作为反射构件10，例如能够使用如通常的镜子那样具有进行镜面反射的表面的构件(反射镜构件)。此外，根据光学传感器5以及流体7(7a、7b)的条件，也可以使用具有使给定量的光量衰减的减光反射面的构件。
在如以上那样的本公开的流体检测传感器1中，可考虑各种适合的方式。
例如，在图1的(c)所示的例子中，光学传感器5的发光元件列3以及受光元件列4与流路构件9的流路8配置为将流路8的中央的位置与发光元件列3和受光元件列4的排列的中央重叠。相对于此，流路构件9也可以将流路8的中央的位置从发光元件列3和受光元件列4的排列的中央向受光元件列4侧偏移地配置。由此，使得能够从发光元件列3照射到流路构件9，光路通过管状体6以及流体7(7a、7b)折射，由反射构件10反射而再次入射到流路构件9，光路通过管状体6以及流体7(7a、7b)折射，通过该光路的折射的情形进行变化，使接近流路构件9的受光元件列4受光。此时，关于使配置偏移的量，只要在流路8的中央的位置不超过受光元件列4的位置的范围内，一边确认由受光元件列4受光的状况，一边适当设定即可。
此外，在反射构件10为反射镜构件的情况下，例如在图8中以与图1的(c)同样的剖视图示出的那样，流路构件9也可以将流路8的中央的位置从发光元件列3与受光元件列4的排列的中央向发光元件列3侧偏移地配置。在该情况下，使得能够从发光元件列3照射到流路构件9，光路通过管状体6以及流体7(7a、7b)折射，入射到反射构件10并反射的光直接入射到受光元件列4而受光。这样，由反射构件10反射的光不一定必须再次入射到流路构件9，在入射到反射构件10之前通过流体7(7a、7b)的活动而变化的光也可以由反射构件10反射而直接入射到受光元件列4。由此，存在相对于光学传感器5的光路的调整变得容易的倾向。
另外，在如以上的例子那样在反射构件10中使用反射镜构件的情况下，为了通过光学传感器5稳定地检测根据流体7的移动而产生的光的变化，需要注意使各构件的配置精度优良地对位并调整。例如，关于流路构件9与作为反射镜构件的反射构件10的配置公差，设受光元件4a的受光部的尺寸为200μm见方，设发光元件3a发出的光的光束直径为
Figure BDA0003064663290000081
设入射到受光元件4a的光束的偏移的容许值为50μm。在该情况下，作为将光学传感器5从反射构件10分离15mm而配置时光束不偏移的条件，有时需要将反射构件10的倾斜角θ调整为0.1°以内(容许公差为±0.1°)左右。
在图1所示的例子中，反射构件10相对于流路构件9在光学传感器5的相反侧从流路构件9分离地配置，但是也可以与流路构件9一体地配置。例如在图2的(a)中以与图1的(c)同样的剖视图示出的那样，反射构件10优选配置在流路构件9的管状体6的外表面。由此，能够谋求流体检测传感器1的小型化，并且能够降低流路构件9的管状体6的外表面的表面反射的影响，能够充分地确保基于受光元件列4的受光的光量而提高信号强度。
此外，例如在图2的(b)中以与图2的(a)同样的剖视图示出的那样，反射构件10优选配置在流路构件9的管状体6的内表面。由此，也能够谋求流体检测传感器1的小型化，并且能够降低管状体6的外表面的表面反射的影响。此外，通过消除通过流路构件9的管状体6的下侧的光路，能够更充分地确保基于受光元件列4的受光的光量而提高信号强度。
反射构件10除了具有通常的反射面以外，如在图3中以与图1的(c)同样的剖视图示出的那样，优选具有进行回射的反射面。在图3所示的例子中，反射构件10具有棱镜片11作为进行回射的反射面。由此，在回射中，反射为入射的光大致在该方向上返回，因此能够降低通过流路构件9入射到反射构件10的光向流路构件9以外的其他方向反射，因此能够使入射到反射构件10的光的大部分返回到流路构件9，能够使受光元件列4以充分的光量受光再次通过了流路构件9的光。作为该棱镜片11，棱镜的形状存在三角形的棱镜片和组合了四边形的棱镜片(全立方体或角立方体)这两种。此外，存在反射膜中使用了铝膜片等的软质棱镜类型、在反射膜中使用了树脂板等的硬质棱镜类型或在反射膜中使用了直接蒸镀了金属的材料的金属蒸镀棱镜类型的反射膜。进而，存在分别夹持空气层而用透明塑料膜覆盖棱镜的高亮度型的棱镜等。根据要求的反射特性从它们中选择，作为棱镜片11使用即可。
作为棱镜片11，例如如果是入射的光的光斑直径为200μm左右的情况，则优选使用顶角(或内角)为60°左右，一边为50μm左右的棱镜(或立方体)，使用光斑直径中包含3～30个左右的棱镜的棱镜片。
具有这样的进行回射的反射面的反射构件10从流路构件9分离地配置，光的入射以及反射方向根据与光学传感器5以及流路构件9的位置关系，调整其位置以及角度等，使得受光元件列4能够受光充分的光量。
作为进行回射的反射构件10，除了使用棱镜类型的棱镜片11以外，还能够使用利用了玻璃珠的反射构件。例如，能够使用在反射膜中安装了正圆球状的多个(1cm2中5000～8000个左右)高折射玻璃珠(直径为30～100μm左右)的被称为露出透镜型或开放类型的反射构件、在反射膜中同样安装了多个玻璃珠的基础上涂层了树脂的被称为封入透镜型的反射构件或者在反射膜中同样安装了多个玻璃珠的基础上夹持空气层而用透明塑料膜覆盖的被称为胶囊透镜型或反射式胶囊型的反射构件等。
此外，以上的棱镜片11是在入射到片材而被回射的光的角度上没有特别的各向异性，基本上与向宽范围的方向的回射对应的棱镜片，但是除此以外，例如也可以使用如在片材基材的表面呈阵列状排列有剖面形状为大致三角形形状、大致梯形形状、大致椭圆形状的棱镜条列那样的在回射的方向上具有各向异性的光学片。作为这样的光学片，例如可使用棱镜条列的顶角为60～90°左右，棱镜条列的周期为30～100μm左右的光学片。这样的棱镜片11具有利用回射性将入射光向正面聚光的功能，由于对于大致与棱镜条列的长边方向正交的方向上的入射光进行回射，所以通过相对于流路8的朝向调整该棱镜条列的朝向，能够有助于针对由光学传感器5进行的检测的良好的光路的设定。
另外，在基于棱镜片11的回射中，如果严格地观察，光并不限于正确地向入射方向反射，而在反射时产生光路的微小偏移，但是通过在光学传感器5与反射构件10之间配置流路构件9，使光在以曲面为界面的折射率不同的介质中前进，由此由折射率差引起的光路的变化变得显著，能够有效地进行光学上的检测，能够得到良好的感测性能。
在本公开的流体检测传感器1中，在使用具有这样的棱镜条列的棱镜片11的情况下，如图3所示的例子那样，基本上棱镜条列的剖面为如图3所示的那样看到的状态，将棱镜条列的长边方向与流路8的长边方向或者光学传感器5中的发光元件列3以及受光元件列4的排列方向平行地配置为宜。此外，在发光元件列3的发光元件3a以及受光元件列4的受光元件4a如后述的那样成多对，并成对的元件彼此的配置相对于流路8成为倾斜方向时，或者在其配置即使对于流路8是正交的方向也因光路通过流路构件9而相对于流路8的长边方向倾斜时，将棱镜条列的长边方向相对于流路8的长边方向或者光学传感器5中的发光元件列3以及受光元件列4的排列方向配置为倾斜60°左右为宜。进而，也可以存在如下的情况，即，根据基于流体检测传感器1中的受光元件4a的光学上的检测的调整的关系，将棱镜条列的长边方向配置为相对于流路8的长边方向正交。
在使用配置了这些棱镜片11的进行回射的反射构件10的情况下，从用于段塞流的检测的光具有适度的指向性和广度这样的观点出发，也优选在发光元件3a中使用发光二极管。
在使用具有棱镜条列的棱镜片11的情况下，在反射构件10包含透光性的树脂等的情况下，如图9所示的例子那样，也可以在反射构件10中将棱镜片11配置在流路构件9的相反侧(图中的下侧)。图9的(a)是与图3同样的剖视图，图9的(b)是在从横向仰视的状态下示出作为其中的一部分的流路构件9与反射构件10的关系的立体图。如这些图所示，反射构件10中的棱镜片11也可以配置在流路构件9的相反侧(图中的下侧)以使相对于图3所示的例子进行翻面。在该情况下，更优选为使棱镜片11中的棱镜条列在平面内旋转90°地进行配置，以使相对于流路8的长边方向正交。即使使用这样的进行回射的反射构件10，也能够使入射到反射构件10的光的大部分返回到流路构件9，能够使受光元件列4以充分的光量受光再次通过了流路构件9的光。此外，在该情况下，相对于管状的流路构件9设置片状的反射构件10的情况下的与相互的平行度相关的稳健(robust)性得到改善，相对于配置公差的容许度提高。例如，在反射构件10中的棱镜片11的回射构造为45°，从发光元件3a通过流路构件9入射到反射构件10的光的光束摆动幅度为5°的情况下，作为光束不偏移的条件，能够将反射构件10的倾斜角θ容许到40°以内(容许公差为±40°)左右而进行配置。
此外，在使用配置了棱镜片11的进行回射的反射构件10的情况下，例如在图10中以与图3同样的剖视图示出的例子那样，也能够减小反射构件10的尺寸。这样，通过减小进行回射的反射构件10的尺寸，对于在流路构件9中因由流体7(7a、7b)的移动引起的折射率的变化而产生的光路的偏移，除了使从反射构件10向受光元件列4的返回光变化以外，还能够使从流路构件9入射到反射构件10的光的光束因光路的偏移而从反射构件10偏离，因此能够得到根据由流体7(7a、7b)的移动引起的折射率的变化而使由受光元件列4受光的光的强度变化(信号差)显著的效果。该效果通过使反射构件10的尺寸与受光元件4a的受光部尺寸为同等程度而变得显著，因此在能够将各构件的配置公差设定得小的情况下，对于感测性能的提高是有效的。
作为进行回射的反射构件10，如前述的那样，能够使用各种类型的构件。将其一个例子示于图11。图11是与图3同样的剖视图，并且是对于作为其中的一部分的反射构件10以从斜上方观察的立体图示出的图。图11所示的例子是使用了三面类型的回射片作为反射构件10中的回射片的棱镜片11的例子。在使用了这样的回射片的情况下，同样能够得到良好的感测性能，并且在片状的反射构件10的设置时，对于面内的旋转的配置公差的容许度变大，而还能够改善稳健性。作为这样的三面类型的回射片的棱镜片11，例如能够使用迪睿合(Dexerials)株式会社的商品名Albeedo(注册商标)的型号IRAVK700等。
在本公开的流体检测传感器1中，如在图4的(a)中以与图1的(c)同样的剖视图示出的那样，优选具备配置在发光元件列3以及受光元件列4与流路构件9之间的偏振滤光片12。由此，能够将从发光元件列3(发光元件3a)入射到流路构件9的光以及通过流路构件9由受光元件列4(受光元件4a)受光的光的振动方向设定为要求的一个方向，因此，虽然能够由受光元件列4(受光元件4a)受光的光量减少，但是能够降低在流路构件9的各部分等反射、散射而在段塞流的检测时成为噪声的光或者来自外部的杂散光或干扰光的影响。
作为这样的偏振滤光片12，能够使用染料系偏振膜、碘系偏振膜或二色性色素膜等偏振膜或者用光学玻璃夹着这些偏振膜的偏振滤光片等。其偏振方向只要一边确认噪声光或者杂散光或干扰光的影响的降低状况，一边调整偏振滤光片12的配置来适当设定即可。
此外，如在图4的(b)中以同样的剖视图示出的那样，也可以将在发光元件列3以及受光元件列4与流路构件9之间配置的偏振滤光片12配置在作为管状体6使用剖面形状为四边形形状的角管的流路构件9的上表面。由此，能够在发挥由配置偏振滤光片12而带来的效果的同时能够谋求流体检测传感器1的小型化。此外，在该情况下，也可以将反射构件10配置在流路构件9的下表面，由此，能够在确保反射构件10的功能的同时能够谋求流体检测传感器1的小型化。
在本公开的流体检测传感器1中，如在图5中以与图1的(c)同样的剖视图示出的那样，优选具备配置在发光元件列3以及受光元件列4与流路构件9之间的透镜13。由此，通过透镜13使从发光元件列3(发光元件3a)照射到流路构件9的光以及通过流路构件9由受光元件列4(受光元件4a)受光的光会聚，而能够增加能够利用于段塞流的检测的光量，因此能够提高检测灵敏度。这样的透镜13如图5所示以及如在图6的(b)中以光学传感器5的俯视图示出的那样，优选与发光元件列3的发光元件3a的每一个以及受光元件列4的受光元件4a的每一个对应地独立地配置。由此，能够根据各元件独立地调整聚光状态，能够良好地发挥透镜13的效果。这样的多个透镜13通过独立地制作，用未图示的透镜保持架配置在要求的位置即可。此外，例如也可以在如覆盖发光元件列3以及受光元件列4的整体的一块透光性基板内，形成与发光元件3a以及受光元件4a的每一个对应的透镜部，作为多个透镜13一体地构成的透镜构件配置。
作为本例子的透镜13，示出了两个主面成为凸状的两个凸透镜，但是透镜13并不限于此。例如，也可以使用一个主面为凸状，另一个主面成为平面状的平凸透镜。作为透镜13的材质，例如可列举硅酮、氨基甲酸乙酯(urethane)或环氧等热固性树脂或聚碳酸酯、丙烯酸等热塑性树脂这样的塑料或石英、水晶、蓝宝石等透光性无机材料或如光学玻璃这样的无机玻璃等。
此外，本例子的透镜13配置在与光学传感器5的基板2的表面平行的朝向上，但是以光路的调整为目的，也可以将透镜13相对于基板2的表面倾斜地配置。
在本公开的流体检测传感器1中的光学传感器5中，如图1的(a)所示，以及如在图6的(a)以及图6的(b)中以光学传感器的俯视图示出的那样，优选发光元件列3的多个发光元件3a与受光元件列4的多个受光元件4a成多对。此外，优选这些成多对的发光元件3a以及受光元件4a配置在一个基板2上。由此，能够在谋求光学传感器5的小型化的同时能够将由段塞流中的流体7(7a、7b)的流动引起的光的变化作为沿着流路8的流动方向的随时间的变化来进行检测。此外，由于作为光源的发光元件3a与作为受光部的受光元件4a的位置关系成为固定而不需要进行每次测定的调整等，所以能够进行基于稳定的测定的段塞流的检测。
此外，在发光元件3a与受光元件4a成多对的情况下，如图1的(a)以及图6的(a)以及图6的(b)所示，发光元件列3的发光元件3a以及受光元件列4的受光元件4a分别为三个以上，优选存在三对以上。这是因为，在通过成多对的发光元件3a以及受光元件4a来进行用于段塞流的检测的测定的情况下，在进行测定数据的解析时，仅有两对的话，对形成段塞流的多个流体7(7a、7b)的掌握会存在误检测的担忧。相对于此，在发光元件3a以及受光元件4a成对三个以上的情况下，由于能够检测并掌握在流路8中流动的多个流体7(7a、7b)的每一个，所以能够提高检测精度。此外，通过连续地处理分别由三个以上的发光元件3a以及受光元件4a的对来得到的测定数据，能够以犹如在图像中进行识别那样的测定结果来检测由多个流体7(7a、7b)的移动产生的光的变化，检测段塞流的活动。
这样，为了通过成多对的发光元件3a以及受光元件4a检测由多个流体7(7a、7b)的移动引起的光的变化，根据形成段塞流的各流体7(7a、7b)的大小以及移动速度等，调整各个发光元件3a的发光时间以及发光间隔以及各对间的发光时间差。例如，如果是各发光元件3a在基板2的长边方向上以0.5mm间隔配置的情况，则如果将各发光元件3a的发光时间例如设为1～10m秒，将发光间隔相同地例如设为1～10m秒，将各对间的发光时间差例如设为2m秒，则能够检测段塞的长度为1～2mm左右，移动速度为750mm/秒左右的段塞流。
关于这样的成多对的发光元件3a以及受光元件4a的对数的设定，只要根据检测对象的段塞流的特性进行即可，但是作为其上限，如果到十对左右，优选为七对或八对，则考虑到段塞流的移动速度的界限，可以说是适当的对数。关于这以上的对数，虽然能够通过检测到的信号的处理来进行段塞流的检测，但由于仅是反复检测段塞流中的相同的流体7(7a、7b)，所以可以说不需要。
在此，在图7中以俯视图示出具有包含八对发光元件3a以及受光元件4a的发光元件列3以及受光元件列4的光学传感器的例子。图7所示的光学传感器5具有基板2、在基板2的上表面沿着长边方向配置为一列的八个发光元件3a、在基板2的上表面分别与发光元件3a对应地沿着长边方向配置为一列的八个受光元件4a。该基板2与多个发光元件3a的每一个一体地形成。同样地，基板2与受光元件4a一体地形成。即，在同一基板2各制作有八个发光元件3a和受光元件4a，并一体地形成。本例子的光学传感器5使该基板2的上表面与流路构件9对置而使用。
在本例子的光学传感器5中，作为基板2，例如使用硅(Si)等一个导电型(例如n型)的半导体材料，发光元件3a为在其上表面具有层叠的多个半导体层的发光二极管。此外，受光元件4a通过制作在基板2的上表面的一部分的逆导电型(例如p型)半导体区域和与其相邻的基板2的一导电型的区域来形成pn结，构成光电二极管。通过这样构成，能够将基板2、发光元件3a、受光元件4a一体地制作在同一基板。
如前述的那样，多个发光元件3a作为对在流路8中作为段塞流而流动的多个流体7(7a、7b)进行照射的光的光源发挥功能。然后，从发光元件3a发出的光通过流路构件9，由反射构件10反射，再次通过流路构件9，入射到对应的多个受光元件4a而被受光。受光元件4a作为检测根据多个流体7(7a、7b)的移动而产生的光的变化的光检测部发挥功能。
另外，在图7中，30A为发光元件侧第1电极，30B为发光元件侧第1电极焊盘，30C为发光元件侧第2电极，30D为发光元件侧第2电极焊盘。多个发光元件3a通过在对应的发光元件侧第1电极焊盘30B与发光元件侧第2电极焊盘30D之间施加偏压，从而分别发光而作为光源发挥功能。虽然未图示，但是发光元件侧第1电极焊盘30B和外部电源通过基于金(Au)线等的引线接合连接。此外，40A为第2受光元件侧第1电极，40B为第2受光元件侧第1电极焊盘，40C为与基板2连接的第2受光元件侧第2电极焊盘。多个受光元件4a根据受光的光，在对应的第2受光元件侧第1电极焊盘40B与第2受光元件侧第2电极焊盘40C之间对输出电流进行输出。
另外，在通过三对～八对的发光元件3a以及受光元件4a进行段塞流的检测的情况下，在变动为形成段塞流的多个流体7(7a、7b)的大小变小或移动速度变快时，能够通过缩短发光元件3a的发光时间以及发光间隔以及各对间的发光时间差，缩短采样周期，由此确保检测精度。此外，在变动为多个流体7(7a、7b)的大小变大或移动速度变慢时，能够通过与上述相反地调整发光时间以及发光间隔以及发光时间差或通过增加发光元件3a以及受光元件4a的对数，由此确保检测的精度。这样的检测条件的调整，一边进行实际的检测，一边找出适当的条件而进行。
在本公开的流体检测传感器1中，在使用具有多对发光元件3a以及受光元件4a的光学传感器5的情况下，也能够将该多对之中的一部分的对利用于光学传感器5与流路构件9的对位。将这样的一个例子示于图12。图12是示出针对反射构件相对于本公开的流体检测传感器中的光学传感器的配置的实施方式的其他例的图，并且是关于与图7同样的俯视图，透视地示出配置为夹持流路构件(未图示)而对置的反射构件10的图。在图12中，关于反射构件10，示出在发光元件3a与受光元件4a的对之中与在图中位于左端的对对置的短的反射构件10和与位于其右侧的其他对对置的长的反射构件10的组合。在此，将位于左侧的短的反射构件10作为反射镜构件，将位于右侧的长的反射构件10作为具有进行回射的棱镜片11(示出了符号，但省略了图示)的构件。通过这样配置光学传感器5和反射构件10，通过将在图中与位于左端的发光元件3a以及受光元件4a的对对置的反射构件10作为反射镜构件，由此成为对光学配置敏感的组合，因此在初始状态的对位时，能够精度优良地配置光学传感器5、流路构件以及反射构件10。此外，由于使在与其他发光元件3a以及受光元件4a的对对置的反射构件10配置棱镜片11并进行回射，因此能够以良好的感测性能光学地检测流路构件中的包含多个流体的段塞流的移动速度、大小以及它们的变化。另外，在进行针对该多个流体的光学上的检测时，不使用位于左端的发光元件3a以及受光元件4a的对。
本公开的流体检测装置具备：本公开的流体检测传感器1；以及处理部，其控制发光元件列3的多个发光元件3a中的发光，检测受光元件列4的多个受光元件4a中的与根据多个流体7(7a、7b)的移动而产生的光的变化相应的输出电流的变化，根据检测到的该输出电流的变化获取与段塞流相关的信息。
在该处理部中，通过控制发光元件3a的发光的控制部，使各个发光元件3a以给定的定时以及给定的光量进行发光。此外，通过根据形成段塞流的多个流体7(7a、7b)的移动而产生的光的变化，由检测部检测与受光元件4a的受光量对应的光电流作为来自各个受光元件4a的输出电流。
由检测部检测的输出电流以时分方式包含使第一个发光元件3a发光时的成对的第一个受光元件4a受光并输出的输出电流、使第二个发光元件3a发光时的成对的第二个受光元件4a受光并输出的输出电流、..如这样的根据各个发光元件3a的发光而成对的受光元件4a各自检测的输出电流。另外，检测部有时也具有模拟开关或者电流放大器。
由检测部检测到的输出电流发送到判定部。判定部例如具有数据变换部、数据存放部、标准数据存放部、比较部。数据变换部将来自检测部的输出电流变换为电压值，从模拟信号变换为数字信号。也可以在该过程中通过追加放大器等对信号进行放大，或者通过使用滤波器去除噪声。数据存放部存放由数据变换部进行了处理的信号。由比较部进行存放于该数据变换部的数据与存放于标准数据存放部的数据的比较。在标准数据存放部存放与输出电流相应的信号的分布，其中该输出电流与伴随着流体7(7a、7b)的移动而产生的光的变化对应。由此，通过比较作为实测数据的收容于数据存放部的数据与存放于标准数据存放部的数据，能够判定伴随着流体7(7a、7b)的移动而产生的光的变化。
进而，也可以具备：解析部，其连续地解析由判定部内的数据变换部进行了变换的信号的时间上的变化。
在此，将段塞的间隔(流体7a(7b)与下一流体7a(7b)的间隔)设为L(mm)，将与段塞流流动的流路8平行地配置的两对以上的发光元件3a以及受光元件4a中的受光元件4a的间隔设为D(mm)，将段塞流的速度(流体7a(7b)的移动速度)设为v(mm/秒)。此外，对于相邻的两个受光元件4a、4a，在输出电流中分别产生信号变动，将探测到段塞界面(弯月面：流体7a与流体7b的界面)的通过时的信号变动产生时刻之差设为S(秒)。此时，在L≥D的情况下，通过v＝D/S求出段塞流的速度v。
此外，在L＜D的情况下，记录由一个受光元件4a受光并输出的输出电流中的信号变动的波形，在相邻的受光元件4a、4a之间对该波形进行比较。由于由段塞界面产生的波形不均质，所以作为具有特征的波形，受光元件4a进行检测，根据需要，经由放大器保存在数据存放部。通过比较这样保存在数据存放部的多个波形，能够进行检测对象的段塞流(流体7a或流体7b)是否通过了与给定的受光元件4a对应的位置的判定和直到该段塞流通过与下一受光元件4a对应的位置为止的时间T(秒)的检测。使用该时间T，通过v＝D/T求出段塞流的速度v。
如以上那样的检测、判定、解析能够通过处理部中的检测部以及判定部，还根据需要也能够通过解析部来适当实施。
以上，示出了本公开的具体的实施方式的例子，但是本公开并不限定于上述的例子，在不脱离本公开的主旨的范围内，能够进行各种变更。
符号说明
1：流体检测传感器；
2：基板；
3：发光元件列；
3a：发光元件；
4：受光元件列；
4a：受光元件；
5：光学传感器；
6：管状体；
7、7a、7b：流体；
8：流路；
9：流路构件；
10：反射构件；
11：棱镜片；
12：偏振滤光片；
13：透镜。

Claims (12)

1.一种流体检测传感器，具备：
光学传感器，其具有在基板上沿着长边方向配置的包含多个发光元件的发光元件列以及包含多个受光元件的受光元件列；
流路构件，其包含与该光学传感器对置地沿着长边方向配置的透光性的管状体，该管状体的内侧为实质上不混合的多个流体作为段塞流而流动的流路；以及
反射构件，其相对于所述流路配置在所述光学传感器的相反侧，
由所述受光元件列对所述发光元件列向所述流路的所述段塞流照射并由所述反射构件反射的光进行受光，检测根据多个所述流体的移动而产生的光的变化。
2.根据权利要求1所述的流体检测传感器，其中，
所述流路构件的所述管状体的折射率与多个所述流体的至少一个不同。
3.根据权利要求1所述的流体检测传感器，其中，
所述流路构件将所述流路的中央的位置从所述发光元件列与所述受光元件列的排列的中央向所述受光元件列侧偏移地配置。
4.根据权利要求1所述的流体检测传感器，其中，
所述流路构件将所述流路的中央的位置从所述发光元件列与所述受光元件列的排列的中央向所述发光元件列侧偏移地配置。
5.根据权利要求1所述的流体检测传感器，其中，
所述反射构件被配置在所述流路构件的所述管状体的外表面或内表面。
6.根据权利要求1所述的流体检测传感器，其中，
所述反射构件具有进行回射的反射面。
7.根据权利要求1所述的流体检测传感器，其中，
多个所述发光元件为发光二极管。
8.根据权利要求1所述的流体检测传感器，其中，
所述流体检测传感器具备被配置在所述发光元件列以及所述受光元件列与所述流路构件之间的偏振滤光片。
9.根据权利要求1所述的流体检测传感器，其中，
所述流体检测传感器具备被配置在所述发光元件列以及所述受光元件列与所述流路构件之间的透镜。
10.根据权利要求1所述的流体检测传感器，其中，
所述发光元件列的多个所述发光元件与所述受光元件列的多个所述受光元件成多对。
11.根据权利要求10所述的流体检测传感器，其中，
所述发光元件列的所述发光元件以及所述受光元件列的所述受光元件分别为三个以上。
12.一种流体检测装置，具备：
权利要求1～11中任一项所述的流体检测传感器；以及
处理部，其控制所述发光元件列的多个所述发光元件中的发光，检测所述受光元件列的多个所述受光元件中的与根据多个所述流体的移动而产生的光的变化相应的输出电流的变化，根据检测到的该输出电流的变化获取与所述段塞流相关的信息。
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