JP2005156157A - Microflow velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、各種流体の流速を測定する流速計に関し、特に細い流体流路中を流れる微小な流体の流速を正確に測定することができるようにしたマイクロ流速センサーに関する。 The present invention relates to a flowmeter that measures the flow velocity of various fluids, and more particularly to a micro flow velocity sensor that can accurately measure the flow velocity of a minute fluid flowing in a narrow fluid flow path.
従来より管内を流れる流体の流量を測定するに際しては、例えば特開2003−130703号公報に示されるように、流体中にトレーサーを供給し、管内の2点間を移動するトレーサーの流速を計測して流量測定を行っている。 Conventionally, when measuring the flow rate of the fluid flowing in the pipe, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-130703, a tracer is supplied into the fluid and the flow velocity of the tracer moving between two points in the pipe is measured. To measure the flow rate.
しかしながら、この方法では流体中に何らかのトレーサーを混入させる必要があり、例えば化学反応用流体の流量測定を行う際、或いは高速流体クロマトグラフィー(HPLC)のように流体の組成、特性分析を行う流体を精密に供給する部分に用いる際、更にはバイオ研究のためのバイオリアクターのように微小流体を正確に供給しなければならないときに、流体中に他の物質を混入することが好ましくない分野では、上記のようなトレーサーを利用した流量測定を行うことは適切ではない。 However, in this method, it is necessary to mix some kind of tracer in the fluid. For example, when measuring the flow rate of a chemical reaction fluid, or using a fluid for analyzing the composition and characteristics of the fluid, such as high performance fluid chromatography (HPLC). In a field where it is not preferable to mix other substances in the fluid when the microfluid must be supplied accurately, such as in a bioreactor for bioresearch, when it is used for a precise supply part, It is not appropriate to measure the flow rate using the tracer as described above.
それに対して、例えば特表平2−503597号公報に示されるように、流体の管路中に渦流発生用の筒を配置し、流体の流速、即ち流量に応じて発生する渦によって生じる筒の振動を、その筒内に設けた光学的測定部で計測し、それにより流量を測定することも行われている。 On the other hand, as shown in, for example, Japanese Translation of PCT International Publication No. 2-503597, a cylinder for generating eddy currents is arranged in a fluid pipeline, and the cylinder generated by the vortex generated in accordance with the flow velocity of the fluid, that is, the flow rate is used. Vibration is also measured by an optical measuring unit provided in the cylinder, thereby measuring the flow rate.
しかしながら、このような渦流式流量計においては、管内を流れる流体が所定以上の流速にならないと渦は発生せず、したがって微小管路を流れる流体の微小流量を測定するのには適していない。 However, in such a vortex flow meter, the vortex is not generated unless the fluid flowing in the tube has a flow velocity higher than a predetermined flow rate, and therefore, it is not suitable for measuring the minute flow rate of the fluid flowing through the micropipe.
その他、例えば特公平9−348573号公報に示されるように、流体管路の周壁の一部にヒーターを設け、このヒーターと離れた位置に感熱抵抗を設け、ヒーターにより加熱した流体の温度変化を感熱抵抗によって検出することにより質量流量を計測する方式も存在する。 In addition, as shown in, for example, Japanese Patent Publication No. 9-348573, a heater is provided on a part of the peripheral wall of the fluid conduit, and a thermal resistance is provided at a position away from the heater so that the temperature change of the fluid heated by the heater is changed. There is also a method for measuring the mass flow rate by detecting the thermal resistance.
しかしながら、上記の感熱抵抗を用いた方式においても、流体を加熱することにより流体の温度上昇を招き、化学反応用流体の流量測定等には適さない場合が多い。このように従来より種々の流量測定方法が存在するが、いずれも上記のような化学反応用流体の流量測定や、HPLC、或いはバイオリアクターにおける流量測定に適している流量計は未だ存在しない。また、前記のような各種従来技術においては、流れ方向が逆になったときに同一の装置で対応することはできなかった。
本発明が解決しようとする課題は、流体中に不純物を混入させたり、温度変化を起こさせたりする必要が無く、流体の流動によって作動する機械量を直接測定することにより、微小流量を正確に測定することができるとともに、流れ方向が逆になった場合でも容易に対応することができるマイクロ流量計を得る点にある。 The problem to be solved by the present invention is that there is no need to introduce impurities into the fluid or cause a temperature change, and the minute flow rate can be accurately measured by directly measuring the amount of the machine that operates by the fluid flow. It is possible to obtain a micro flow meter that can measure and easily cope with the case where the flow direction is reversed.
本発明によるマイクロ流速センサは、上記課題を解決するため、外部に連通するとともに受動部本体の流路に連通する流体流路を形成した基板と、内部に流体流路を備え、該流体流路中に配置して流体によって変位する受動板を備えた受動部本体と、外部に連通するとともに受動部本体の流路に連通する流体流路を形成した透明な流路カバーとを積層して、一連の流路を形成する流路形成本体を構成し、前記流路カバーを透して前記受動部本体の受動板の変位を計測するレーザー干渉計を備え、前記レーザー干渉計による受動板の計測変位により流路中の流体の流速を検出するようにしたものである。 In order to solve the above problems, a micro flow rate sensor according to the present invention includes a substrate formed with a fluid channel that communicates with the outside and communicates with a channel of the passive unit body, and a fluid channel inside the substrate. Laminating a passive part main body provided with a passive plate disposed inside and displaceable by a fluid, and a transparent flow path cover forming a fluid flow path communicating with the outside and communicating with the flow path of the passive part main body, A flow path forming body that forms a series of flow paths is configured, and a laser interferometer that measures the displacement of the passive plate of the passive unit body through the flow path cover is provided. Measurement of the passive plate by the laser interferometer The flow velocity of the fluid in the flow path is detected by the displacement.
また、本発明による他のマイクロ流速センサは、前記受動板を、受動部本体に形成した流路室の開口中に配置し、前記開口の周縁から延びる可撓性の受動板支持部材により支持したものである。 Further, in another micro flow rate sensor according to the present invention, the passive plate is disposed in an opening of a flow channel chamber formed in the passive portion main body, and is supported by a flexible passive plate support member extending from a peripheral edge of the opening. Is.
また、本発明による他のマイクロ流速センサは、前記受動板支持部材及び受動板を、前記受動部本体と一体形成したものである。 In another micro flow rate sensor according to the present invention, the passive plate support member and the passive plate are integrally formed with the passive portion main body.
本発明は上記のように構成したので、流体中にトレーサー等を混合する必要が無く、しかも微小な流体流量を簡単な手段により、正確に測定することができ、更に流れ方向が逆になった場合でも容易に対応することができる双方向性を備えている、という利点がある。 Since the present invention is configured as described above, it is not necessary to mix a tracer or the like in the fluid, and a minute fluid flow rate can be accurately measured by simple means, and the flow direction is reversed. There is an advantage of having bidirectionality that can be easily handled even in cases.
本発明は、トレーサー等を混入することなく微小な流体流量を簡単な手段により正確に測定するため、流体流路中に配置して流体によって変位する受動板に対してレーザーを照射し、レーザー干渉計によって受動板の変位を計測する。 In order to accurately measure a minute fluid flow rate by a simple means without mixing a tracer or the like, the present invention irradiates a laser on a passive plate that is arranged in a fluid flow path and is displaced by the fluid. The displacement of the passive plate is measured by a meter.
図1は本発明の実施例の概要図を示しており、流速計測用流路を形成する流路形成本体1の主要部は図2に示すように、基板2と、その上に載置する受動部本体3と、更にその上に載置する透明な流路カバー4とからなっており、その積層体からなる流路形成本体1の上方にレーザ干渉計5を配置している。また、このレーザー干渉計5とパソコン6とを接続し、レーザ干渉計5の作動制御及び信号の入力を行い、流体の流速、即ち流量の計測を行うようにしている。
FIG. 1 shows a schematic diagram of an embodiment of the present invention. The main part of a flow
基板2は図2の斜視図に示すように端面6に形成したの開口7を備え、この開口7に通じる基板流路溝8を基板2の図中上面側に設けている。なお、この基板2は種々の素材から形成することができるが、一例としてガラスを用いることができる。
As shown in the perspective view of FIG. 2, the
流路カバー4も同様に、前記基板2の開口7を形成した端面6とは反対側に面する端面10に開口11を備え、この開口10に通じるカバー流路溝12を流路カバー4の図中下面側に設けている。この流路カバー4はその上方に配置するレーザー干渉計からの光を透過する必要があるため、ガラスで作られれることが好ましい。
Similarly, the flow path cover 4 is provided with an
受動部本体3は図2及び図3に示すように、図中の下端面13に開口する中心流路室14を備え、この中心流路室14には受動部本体3の上端面15側に厚さtの受動板16をその敢えている。この受動板16は、中心流路室14の上端における矩形の開口縁17の四隅から延びる4本の受動板支持部材18によって、中心流路室14の上方中心部に支持されている。上記の受動板16は、実際には150μm四方で、その厚さtは1.75μm程度に製造される。このような構造は受動部本体3としてシリコン素材を用いることによって、半導体の製造技術分野におけるエッチング技術によって容易に形成することができる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the passive part
上記4本の受動板支持部材18により4つの流路開口20が形成され、その結果図3(a)に示すように、基板2の開口7、基板流路溝8、受動部本体3の中心流路室14、受動板支持部材18間の流路開口20、流路カバー4のカバー流路溝12、流路カバー4の開口11からなる一連の流体流路が形成される。図3に示す例においてはこの順で流体を流す例を示しており、また図1にはこれと逆の流路で流体を流す例を示している。
Four
図1に示されるように、レーザー干渉計5はレーザー光をガラス製の透明な流路カバー4を透し、また流路カバー4のカバー流路溝12及びこのカバー流路溝12を流れる流体を透して受動板16の上端面21に照射し、その反射光を受光することができるように配置し、その受光信号をパソコン6に出力している。このレーザー干渉計5としては種々の干渉計を使用することができるが、受動板16の動きを高速で検出するため、レーザードップラー干渉計を用いることが好ましい。現在、このようなレーザー干渉計は、47mm×38mm×19mm程度の小型のものが利用可能となっており、500μm四方程度の上記のような微小な流路における微小な可動板の移動を検出することが容易に行われるようになっている。
As shown in FIG. 1, the
上記のような構造からなる本発明によるマイクロ流速センサの使用に際して、図1に示す例においては流路カバー4の開口11から流体を導入し、流路開口20を通って中心流路室14に流入し、基板2の開口7から排出するようにしているものであるが、このような流体の流れにおいて、受動板16は流体の速度に応じて下方に変位する。その変位はレーザー干渉計5によって検出され、パソコンに取り込まれ信号処理されて流量の検出が行われる。なお、レーザー干渉計5としては従来から各種分野で用いられている例えばマイケルソン干渉計を初めとする種々の干渉計を用いることができ、用いるレーザ光線についても、単一周波数のホモダイン型、或いは2つの周波数を用いるヘテロダイン型等の干渉計を用いることもできる。
In using the micro flow rate sensor according to the present invention having the above-described structure, in the example shown in FIG. 1, a fluid is introduced from the
なお、流体の流動方向が図3に示すように前記実施例とは逆の時には、受動板16は流体の流れによって上方に変位し、その変位をレーザー干渉計5によって検出することにより流量の測定を行うことができる。
When the fluid flow direction is opposite to that of the above embodiment as shown in FIG. 3, the
図4には本発明からなるマイクロ流速センサを実際に製作し、測定実験を行った結果を示している。同図のグラフは蠕動性のチューブポンプを用い、種々の回転数で駆動してパルス的に水を流したときに、光干渉計で得られる受動板の変位を示している。同グラフの実験においてはポンプのスタート後、ポンプのパルス的な作動の周波数を順に上昇させ、その後順に降下させたものであり、ポンプの作動駆動周波数が少ないときはその周波数に対応して流速が遅く、受動板の変位が小さい。このときも同グラフに示されるように、ポンプのパルス周期による圧力変化によって流体が変化している状態まで明瞭に検出できていることがわかる。 FIG. 4 shows the result of actually producing a micro flow rate sensor according to the present invention and conducting a measurement experiment. The graph in the figure shows the displacement of the passive plate obtained by the optical interferometer when a peristaltic tube pump is used and the water is pulsed by driving at various rotational speeds. In the experiment of the graph, after starting the pump, the frequency of pulse operation of the pump was increased in order and then decreased in order. When the pump operating frequency was low, the flow rate was corresponding to that frequency. Slow and passive plate displacement is small. Also at this time, as shown in the graph, it can be seen that even the state where the fluid is changing due to the pressure change due to the pulse period of the pump can be clearly detected.
また、ポンプの駆動周波数を変化させると、それに合わせて変位が変化しており、このことから、予めこの受動板の変位特性のデータを得ておくことにより、レーザー干渉計5で計測した受動板の変位測定結果から、流路を流れる流体の流速を精密に計測することができ、正確な流量を測定することができる。
Moreover, when the drive frequency of the pump is changed, the displacement changes accordingly. From this, the passive plate measured by the
本発明によるマイクロ流速センサーは、微小な流路を流れる流体の流速を正確に測定することができるので、直径数μm〜数mmの微小空間内の現象を利用した化学反応・物質生産の為の混合・反応・分離等の単位操作の集積化システムである化学反応用流体を計測する技術分野や、バイオ技術分野、その他同様の各種の技術分野に有効に利用することができる。 The micro flow rate sensor according to the present invention can accurately measure the flow rate of a fluid flowing through a minute flow path, so that chemical reaction and substance production using a phenomenon in a minute space with a diameter of several μm to several mm is possible. The present invention can be effectively used in the technical field of measuring a chemical reaction fluid, which is an integrated system of unit operations such as mixing, reaction, and separation, in the biotechnological field, and in other similar technical fields.
1 流路形成本体
2 基板
3 受動部本体
4 流路カバー
5 レーザ干渉計
6 パソコン
7 開口
8 基板流路溝
10 端面
11 開口
12 カバー流路溝
13 下端面
14 中心流路室
15 上端面
16 受動板
17 開口縁
18 受動板支持部材
20 流路開口
21 上端面
DESCRIPTION OF
Claims (3)
内部に流体流路を備え、該流体流路中に配置して流体によって変位する受動板を備えた受動部本体と、
外部に連通するとともに受動部本体の流路に連通する流体流路を形成した透明な流路カバーとを積層して、一連の流路を形成する流路形成本体を構成し、
前記流路カバーを透して前記受動部本体の受動板の変位を計測するレーザー干渉計を備え、
前記レーザー干渉計による受動板の計測変位により流路中の流体の流速を検出することを特徴するマイクロ流速センサ。 A substrate having a fluid flow path communicating with the outside and communicating with the flow path of the passive unit body;
A passive section body provided with a fluid flow path therein and a passive plate disposed in the fluid flow path and displaced by the fluid;
A transparent flow path cover that forms a fluid flow path that communicates with the outside and communicates with the flow path of the passive unit main body is laminated to form a flow path forming body that forms a series of flow paths,
A laser interferometer that measures the displacement of the passive plate of the passive unit body through the flow path cover,
A micro flow velocity sensor, wherein a flow velocity of a fluid in a flow path is detected by measurement displacement of a passive plate by the laser interferometer.
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