JP2023105929A - 流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】安定的に定在波を発生できる流体デバイスを提供する。【解決手段】流体デバイス１０は、Ｘ軸に沿って延伸し、内部に流体Ｓが流通する流路２０と、流路２０内の流体ＳにＹ軸に沿った定在波ＳＷを発生させる定在波発生部３０と、流路２０内の流体Ｓに超音波を送信すると共に、流体Ｓを伝達した超音波を受信する送受信部４０と、送受信部４０が超音波を送信してから受信するまでの時間である飛行時間を測定する飛行時間測定部５５と、音波飛行時間に基づいて定在波発生部３０の駆動を制御する駆動制御部５８２と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法に関する。
従来、流体中の微粒子を音響集束させる流体デバイスが知られている。例えば、非特許文献１に開示される流体デバイスは、流路が形成された流路基板（ガラス基板）と、流路基板に設けられた圧電素子とを備えている。圧電素子で生じた超音波は、流路基板を介して流路内に伝達され、流路内の流体に定在波を生じさせる。流体中の微粒子は、定在波により形成される流体の圧力勾配により、流路内の所定範囲に捕捉される。
太田亘俊（Nobutoshi Ota）、他６名、"マイクロ流体デバイスの薄化によるマイクロナノ粒子の音響集束の強化（Enhancement in acoustic focusing of micro and nanoparticles by thinning a microfluidic device）"、２０１９年１２月、ロイヤルソサエティー・オープンサイエンス（Royal Society Open Science）、第６巻、第２号、記事番号１８１７７６
上記非特許文献１に記載の流体デバイスは、超音波による定在波によって流体中の微粒子を収束させるものであるが、温度変動などの外乱により定在波の発生条件が変動するため、安定的に定在波を発生させることは困難であった。
本開示に係る第一態様の流体デバイスは、第１軸に沿って延伸し、内部に流体が流通する流路と、前記流路内の前記流体に前記第１軸に直交する第２軸に沿った定在波を発生させる定在波発生部と、前記流路内の前記流体に超音波を送信すると共に、前記流体を伝達した前記超音波を受信する送受信部と、前記送受信部が前記超音波を送信してから受信するまでの時間である飛行時間を測定する飛行時間測定部と、前記飛行時間に基づいて前記定在波発生部の駆動を制御する駆動制御部と、を備える。
第一態様の流体デバイスにおいて、前記定在波発生部は、前記流路に配置された第１超音波素子であり、前記送受信部は、前記流路において前記第１超音波素子と異なる位置に配置された第２超音波素子であり、前記飛行時間測定部は、前記第２超音波素子が前記超音波を送信してから前記超音波の反射波を受信するまでの時間である前記飛行時間を測定し、前記駆動制御部は、前記飛行時間に基づいて前記第１超音波素子の駆動周波数を制御してもよい。
第一態様の流体デバイスにおいて、前記定在波発生部は、前記流路に配置された第１超音波素子であり、前記送受信部は、前記流路において前記第１超音波素子とは異なる位置に配置され、前記流路内の前記流体に前記超音波を送信する第２超音波素子と、前記流路において前記第２超音波素子に対向する位置に配置され、前記第２超音波素子から送信されて前記流路内の前記流体を伝達した前記超音波を受信する第３超音波素子と、を含み、前記飛行時間測定部は、前記第２超音波素子が前記超音波を送信してから前記第３超音波素子が前記超音波を受信するまでの時間である前記飛行時間を測定し、前記駆動制御部は、前記飛行時間に基づいて前記第１超音波素子の駆動周波数を制御してもよい。
第一態様の流体デバイスにおいて、前記定在波発生部および前記送受信部は、同一の超音波素子であり、前記超音波素子が前記定在波発生部として動作する第１モードと、前記超音波素子が前記送受信部として動作する第２モードとを切り替え可能であるスイッチ部をさらに備え、前記飛行時間測定部は、前記第２モードの前記超音波素子が前記超音波を送信してから受信するまでの時間である前記飛行時間を測定し、前記駆動制御部は、前記第１モードの前記超音波素子の駆動周波数を制御してもよい。
本開示に係る第二態様は、第１軸に沿って延伸し、内部に流体が流通する流路と、前記流路内の前記流体に前記第１軸に直交する第２軸に沿った定在波を発生させる定在波発生部と、前記流路内の前記流体に超音波を送信すると共に、前記流体を伝達した前記超音波を受信する送受信部と、を備える流体デバイスの制御方法であって、前記送受信部が前記超音波を送信してから受信するまでの時間である飛行時間を測定する測定ステップと、前記飛行時間に基づいて前記定在波発生部の駆動を制御する制御ステップとを含む。
［第１実施形態］
以下、図１を参照し、第１実施形態の流体デバイス１０について説明する。
図１は、第１実施形態の流体デバイス１０を模式的に示す断面図である。
流体デバイス１０は、第１軸であるＸ軸に沿って延び、内部に流体Ｓを流通させる流路２０と、流路２０内の流体Ｓに第２軸であるＹ軸に沿った定在波ＳＷを発生させる定在波発生部３０と、流路２０内の流体Ｓに超音波を送信すると共に当該流体Ｓを伝達した超音波を受信する送受信部４０と、定在波発生部３０の駆動を制御する制御部５０と、を備える。なお、Ｘ軸およびＹ軸は互いに直交する軸であり、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれに直交する軸をＺ軸とする。
以下、図１を参照し、第１実施形態の流体デバイス１０について説明する。
図１は、第１実施形態の流体デバイス１０を模式的に示す断面図である。
流体デバイス１０は、第１軸であるＸ軸に沿って延び、内部に流体Ｓを流通させる流路２０と、流路２０内の流体Ｓに第２軸であるＹ軸に沿った定在波ＳＷを発生させる定在波発生部３０と、流路２０内の流体Ｓに超音波を送信すると共に当該流体Ｓを伝達した超音波を受信する送受信部４０と、定在波発生部３０の駆動を制御する制御部５０と、を備える。なお、Ｘ軸およびＹ軸は互いに直交する軸であり、Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれに直交する軸をＺ軸とする。
この流体デバイス１０では、流路２０内のＸ軸方向の一部領域において、任意のモード次数の定在波ＳＷがＹ軸方向に沿って形成される。流体Ｓ中に分散している微粒子Ｍは、流路２０内を流通する過程で、定在波ＳＷにより形成される圧力勾配の影響を受け、定在波ＳＷの節を中心とする所定範囲に収束する。流体Ｓは、特に限定されないが、例えば水や血液である。微粒子Ｍは、例えば微小繊維や細胞であってもよい。
このような流体デバイス１０では、例えば、流路２０に対して、収束した微粒子Ｍを含む流体Ｓを選択的に流通させる濃縮用流路と、それ以外の流体Ｓを選択的に流通させる排出用流路とを設けることにより、流体Ｓにおける微粒子Ｍを濃縮することができる。
なお、図１では、流路２０内で収束される微粒子Ｍの様子を模式的に例示している。また、図１では、一例として、流路２０内に発生する１次モードの定在波ＳＷを模式的に示しているが、定在波ＳＷのモード次数は特に限定されない。
このような流体デバイス１０では、例えば、流路２０に対して、収束した微粒子Ｍを含む流体Ｓを選択的に流通させる濃縮用流路と、それ以外の流体Ｓを選択的に流通させる排出用流路とを設けることにより、流体Ｓにおける微粒子Ｍを濃縮することができる。
なお、図１では、流路２０内で収束される微粒子Ｍの様子を模式的に例示している。また、図１では、一例として、流路２０内に発生する１次モードの定在波ＳＷを模式的に示しているが、定在波ＳＷのモード次数は特に限定されない。
流路２０は、Ｙ軸方向において互いに対向する第１壁面２１および第２壁面２２を有する。これら第１壁面２１および第２壁面２２の間の流路幅Ｌは、既知の値である。流路２０の具体的構成は、特に限定されないが、例えば、凹溝を形成されたベース基板と、当該凹溝を覆うリッド基板とによって形成され、各基板として、ガラス基板やシリコン基板などを利用できる。
なお、図示を省略するが、流路２０には、流体Ｓを流路２０に注入するための注入口と、流路２０から流体Ｓを排出するための１以上の排出口とが設けられる。流路２０に対して上述したような濃縮用流路および排出用流路が設けられる場合には、各流路に対して排出口が設けられる。
定在波発生部３０は、流路２０に設けられた超音波素子（第１超音波素子）であり、流路２０内の流体Ｓに対して所定周波数の超音波を送信することで、当該流体Ｓに定在波ＳＷを発生させる。特に、本実施形態において、定在波発生部３０の超音波送信面３０Ｓは、流路２０の第１壁面２１の一部を構成しており、Ｙ軸方向に沿った定在波ＳＷを発生させる。
送受信部４０は、流路２０において定在波発生部３０とは異なる位置に配置された超音波素子（第２超音波素子）であり、流路２０内の流体Ｓに対して、任意の周波数の超音波を送信する。また、送受信部４０は、流体Ｓを伝達した超音波を受信することで、当該超音波に応じた受信信号を出力する。特に、本実施形態において、送受信部４０の超音波送受信面４０Ｓは、流路２０の第１壁面２１の一部を構成しており、当該超音波送受信面４０Ｓから送信されて流路２０の第２壁面２２で反射された超音波を受信する。
なお、定在波発生部３０または送受信部４０を構成する各超音波素子の具体的構成は、特に限定されない。例えば、超音波素子は、圧電アクチュエーターを振動させる構成を有してもよいし、圧電薄膜が形成された振動板を振動させる構成を有してもよいし、静電アクチュエーターに含まれる振動板を振動させる構成を有してもよい。このような超音波素子は、駆動信号としての電圧を印加されることで振動を生じさせ、超音波を送信する。
また、定在波発生部３０に対する送受信部４０の相対位置は、特に限定されるものではないが、送受信部４０は、定在波ＳＷの発生に影響を与えない程度に定在波発生部３０から離れており、かつ、送受信部４０による超音波の送信領域と定在波ＳＷの発生領域との間で流体Ｓの温度が同程度となる位置に配置されることが好ましい。
また、定在波発生部３０に対する送受信部４０の相対位置は、特に限定されるものではないが、送受信部４０は、定在波ＳＷの発生に影響を与えない程度に定在波発生部３０から離れており、かつ、送受信部４０による超音波の送信領域と定在波ＳＷの発生領域との間で流体Ｓの温度が同程度となる位置に配置されることが好ましい。
制御部５０は、定在波発生部３０に接続された連続波発生回路５１と、送受信部４０に接続されたバースト波発生回路５２および受信回路５３と、受信回路５３に接続されたＴＯＦ計測回路５４と、各回路を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）５６とを備えている。
連続波発生回路５１は、ＣＰＵ５６の制御に基づいて所定周波数の駆動信号を形成し、定在波発生部３０に対して連続的に出力する。なお、連続波発生回路５１で形成される駆動信号の周波数（以下、駆動周波数Ｆｄとする）は、流体Ｓに定在波を形成するように設定された周波数である。
バースト波発生回路５２は、ＣＰＵ５６からの測定要求に応じて任意周波数の駆動信号を形成し、送受信部４０に対して所定時間だけ駆動信号を出力する。
受信回路５３は、例えば、増幅回路や検波回路を含んで構成され、送受信部４０において超音波を受信した際に出力される受信信号に対して信号処理を施し、ＴＯＦ計測回路５４に信号処理された受信信号を出力する。
ＴＯＦ計測回路５４は、ＣＰＵ５６からバースト波発生回路５２への要求と同時に入力されるタイミング信号と、受信回路５３から入力される受信信号とに基づいて、送受信部４０が超音波を送信してから受信するまでの時間である飛行時間（ＴＯＦ値）を計測する。
なお、本実施形態では、バースト波発生回路５２、受信回路５３およびＴＯＦ計測回路５４が、ＴＯＦ値を測定するための飛行時間測定部５５を構成する。
受信回路５３は、例えば、増幅回路や検波回路を含んで構成され、送受信部４０において超音波を受信した際に出力される受信信号に対して信号処理を施し、ＴＯＦ計測回路５４に信号処理された受信信号を出力する。
ＴＯＦ計測回路５４は、ＣＰＵ５６からバースト波発生回路５２への要求と同時に入力されるタイミング信号と、受信回路５３から入力される受信信号とに基づいて、送受信部４０が超音波を送信してから受信するまでの時間である飛行時間（ＴＯＦ値）を計測する。
なお、本実施形態では、バースト波発生回路５２、受信回路５３およびＴＯＦ計測回路５４が、ＴＯＦ値を測定するための飛行時間測定部５５を構成する。
ＣＰＵ５６は、各種プログラムや各種データが記憶されるメモリー５７と、メモリー５７に記憶されたプログラムを実行するプロセッサー５８とを含む。
メモリー５７には、定在波発生部３０の現在の駆動周波数Ｆｄの値などが記憶されている。
プロセッサー５８は、メモリー５７に記憶されたプログラムを実行することで、バースト波発生回路５２に対して測定要求を出力する測定制御部５８１と、ＴＯＦ計測回路５４で計測されるＴＯＦ値に基づいて定在波発生部３０の駆動周波数Ｆｄを制御する駆動制御部５８２として機能する。
メモリー５７には、定在波発生部３０の現在の駆動周波数Ｆｄの値などが記憶されている。
プロセッサー５８は、メモリー５７に記憶されたプログラムを実行することで、バースト波発生回路５２に対して測定要求を出力する測定制御部５８１と、ＴＯＦ計測回路５４で計測されるＴＯＦ値に基づいて定在波発生部３０の駆動周波数Ｆｄを制御する駆動制御部５８２として機能する。
次に、本実施形態の流体デバイス１０の制御について、図２のフローチャートを参照して説明する。なお、以下では、流体デバイス１０に定在波が発生している最中における制御について説明する。
まず、予め定められた所定の測定タイミングになったとき（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、測定制御部５８１がバースト波発生回路５２に測定要求を出力すると、バースト波発生回路５２がバースト波を形成するための駆動信号を所定時間出力する（ステップＳ２）。これにより、送受信部４０がバースト波発生回路５２から入力される駆動信号に応じて所定時間だけ超音波を送信する。当該超音波は、流体Ｓに伝達され、流路２０の第２壁面２２で反射した後、送受信部４０に入射する。送受信部４０は、入射された超音波に応じた受信信号を出力し、ＴＯＦ計測回路５４は、当該受信信号に基づいて、送受信部４０が超音波を送信してから受信するまでの時間であるＴＯＦ値を計測する。
次に、駆動制御部５８２は、ＴＯＦ計測回路５４から入力されるＴＯＦ値に基づいて、流路２０内の流体Ｓに定在波を発生させるための最適駆動周波数Ｆｓを求める（ステップＳ３）。
ここで、流路２０内の流体Ｓに定在波が発生するための条件は、以下の式（１）によって表される。式中、Ｆsは、最適駆動周波数であり、ｍは定在波ＳＷの次数であり、ｃは流体Ｓ中の音速であり、Ｌは流路２０の流路幅である。
第１実施形態の送受信部４０によれば、ＴＯＦ値を計測するために超音波が流体Ｓ中を進む距離は２Ｌであるため、流体Ｓ中の音速ｃは、以下の式（２）によって表される。式中、ＴＯＦは、ＴＯＦ計測回路５４で計測されるＴＯＦ値である。
上記式（１），（２）によれば、最適駆動周波数Ｆｓは、以下の式（３）によって表される。
よって、上述のステップＳ３では、ＴＯＦ計測回路５４で計測されたＴＯＦ値を上記式（３）に代入することで、最適駆動周波数Ｆｓを求めることができる。なお、定在波ＳＷの次数ｍは、予め定められており、メモリー５７などに記憶されているものとする。上記ステップＳ２～Ｓ３は、測定ステップに相当する。
ここで、流路２０内の流体Ｓに定在波が発生するための条件は、以下の式（１）によって表される。式中、Ｆsは、最適駆動周波数であり、ｍは定在波ＳＷの次数であり、ｃは流体Ｓ中の音速であり、Ｌは流路２０の流路幅である。
その後、駆動制御部５８２は、メモリー５７を参照し、上述のステップＳ３で求めた最適駆動周波数Ｆｓが定在波発生部３０における現在の駆動周波数Ｆｄと一致しているか否かを判定する（ステップＳ４）。なお、駆動制御部５８２は、現在の駆動周波数Ｆｄと最適駆動周波数Ｆｓとの差の絶対値が所定の閾値以下である場合に、「一致している」と判定すればよい。
最適駆動周波数Ｆｓが現在の駆動周波数Ｆｄと一致していると判定された場合（ステップＳ４；ＹＥＳの場合）、制御部５０における処理はステップＳ１に戻る。
一方、最適駆動周波数Ｆｓが定在波発生部３０の現在の駆動周波数Ｆｄと一致していないと判定された場合（ステップＳ４；ＮＯの場合）、駆動制御部５８２は、当該駆動周波数Ｆｄを最適駆動周波数Ｆｓに合わせるように調整する（ステップＳ５；制御ステップ）。その後、制御部５０における処理はステップＳ１に戻る。
なお、制御部５０では、予め定められた所定間隔で繰り返し測定タイミングとなり、上述のフローチャートが繰り返し行われることが好ましい。
一方、最適駆動周波数Ｆｓが定在波発生部３０の現在の駆動周波数Ｆｄと一致していないと判定された場合（ステップＳ４；ＮＯの場合）、駆動制御部５８２は、当該駆動周波数Ｆｄを最適駆動周波数Ｆｓに合わせるように調整する（ステップＳ５；制御ステップ）。その後、制御部５０における処理はステップＳ１に戻る。
なお、制御部５０では、予め定められた所定間隔で繰り返し測定タイミングとなり、上述のフローチャートが繰り返し行われることが好ましい。
［第１実施形態の効果］
以上に説明したように、本実施形態の流体デバイス１０は、Ｘ軸に沿って延伸し、内部に流体Ｓが流通する流路２０と、流路２０内の流体ＳにＹ軸に沿った定在波ＳＷを発生させる定在波発生部３０と、流路２０内の流体Ｓに超音波を送信すると共に、流体Ｓを伝達した超音波を受信する送受信部４０と、送受信部４０が超音波を送信してから受信するまでの時間である飛行時間（ＴＯＦ値）を測定する飛行時間測定部５５と、ＴＯＦ値に基づいて、定在波発生部３０の駆動を制御する駆動制御部５８２と、を備える。
以上に説明したように、本実施形態の流体デバイス１０は、Ｘ軸に沿って延伸し、内部に流体Ｓが流通する流路２０と、流路２０内の流体ＳにＹ軸に沿った定在波ＳＷを発生させる定在波発生部３０と、流路２０内の流体Ｓに超音波を送信すると共に、流体Ｓを伝達した超音波を受信する送受信部４０と、送受信部４０が超音波を送信してから受信するまでの時間である飛行時間（ＴＯＦ値）を測定する飛行時間測定部５５と、ＴＯＦ値に基づいて、定在波発生部３０の駆動を制御する駆動制御部５８２と、を備える。
この流体デバイス１０は、定在波発生部３０によって流路２０内の流体Ｓに定在波ＳＷを発生させるものである。この流体デバイス１０において、流体Ｓの温度が変化した場合、流体Ｓ中の音速が変化するため、定在波ＳＷを発生させるための定在波発生部３０の駆動条件も変化する。
よって、本実施形態では、飛行時間測定部５５が流体Ｓ中の音速に関するＴＯＦ値を測定し、駆動制御部５８２が当該ＴＯＦ値に基づいて定在波発生部３０の駆動を制御する。これにより、定在波発生部３０の駆動を流体Ｓの温度変化に応じてフィードバック制御することができる。その結果、定在波ＳＷを安定的に発生させることができる。
よって、本実施形態では、飛行時間測定部５５が流体Ｓ中の音速に関するＴＯＦ値を測定し、駆動制御部５８２が当該ＴＯＦ値に基づいて定在波発生部３０の駆動を制御する。これにより、定在波発生部３０の駆動を流体Ｓの温度変化に応じてフィードバック制御することができる。その結果、定在波ＳＷを安定的に発生させることができる。
なお、流体Ｓの温度変化に追従した制御を行うためには、流路２０内に温度センサを設けて流体Ｓの温度を直接的に測定する手法も考えられるが、流体Ｓの温度に基づいて定在波発生部３０の駆動条件を求める演算処理は負荷が大きくなってしまう。一方、本実施形態では、流体Ｓの温度に替えて、流体Ｓ中のＴＯＦ値を利用することで、定在波発生部３０の駆動条件となる最適駆動周波数Ｆｓを容易に求めることができ、演算処理にかかる負荷を小さくすることができる。
本実施形態において、定在波発生部３０は、流路２０に配置された第１超音波素子であり、送受信部４０は、流路２０において定在波発生部３０とは異なる位置に配置された第２超音波素子であり、飛行時間測定部５５は、定在波発生部３０が超音波を送信してから超音波の反射波を受信するまでの時間であるＴＯＦ値を測定し、駆動制御部５８２は、ＴＯＦ値に基づいて定在波発生部３０の駆動周波数を制御する。
このような構成では、流路２０内の反射波を利用することで、送受信部４０を簡素に構成することができる。
このような構成では、流路２０内の反射波を利用することで、送受信部４０を簡素に構成することができる。
また、本実施形態では、流体Ｓとして水を用いることで、水中に含まれる微粒子Ｍを適切に分離可能な流体デバイス１０を提供することができ、利用の幅を広げることができる。例えば、洗濯機や台所から排出される生活排水を流体デバイス１０に流入させることで、生活排水に含まれる微粒子を分離することができる。この場合、洗濯水中に含まれる微細なプラスチック繊維や、台所の排水に含まれる洗剤の研磨紛等を分離することができ、プラスチックゴミ等の物質による環境被害を抑制することも可能となる。
ただし、流体Ｓは水に限定されない。例えば、流体Ｓとして血液を用いることで、血液中に含まれる細胞成分を分離可能な流体デバイス１０を提供することができる。細胞成分が血液中のがん細胞である場合、血液中に含まれるがん細胞を分離して、除去することができ、がんの転移を抑制することも可能となる。
ただし、流体Ｓは水に限定されない。例えば、流体Ｓとして血液を用いることで、血液中に含まれる細胞成分を分離可能な流体デバイス１０を提供することができる。細胞成分が血液中のがん細胞である場合、血液中に含まれるがん細胞を分離して、除去することができ、がんの転移を抑制することも可能となる。
［第２実施形態］
次に、図３を参照し、第２実施形態の流体デバイス１０Ａについて説明する。
図３は、第２実施形態の流体デバイス１０Ａを模式的に示す図である。
流体デバイス１０Ａは、送受信部４０Ａの構成以外、第１実施形態の流体デバイス１０とほぼ同様の構成を有する。以下では、第１実施形態と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
次に、図３を参照し、第２実施形態の流体デバイス１０Ａについて説明する。
図３は、第２実施形態の流体デバイス１０Ａを模式的に示す図である。
流体デバイス１０Ａは、送受信部４０Ａの構成以外、第１実施形態の流体デバイス１０とほぼ同様の構成を有する。以下では、第１実施形態と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
第２実施形態において、送受信部４０Ａは、流路２０において定在波発生部３０（すなわち第１超音波素子）とは異なる位置に配置された第２超音波素子４１および第３超音波素子４２を含む。第２超音波素子４１は、流路２０内の流体Ｓに対して任意の周波数の超音波を送信する。第３超音波素子４２は、第２超音波素子４１に対向するように配置され、第２超音波素子４１から送信されて流体Ｓを伝達した超音波を受信することで、当該超音波に応じた受信信号を出力する。
特に、本実施形態において、第２超音波素子４１の超音波送信面４１Ｓは、流路２０の第１壁面２１の一部を構成し、第３超音波素子４２の超音波受信面４２Ｓは、流路２０の第２壁面２２の一部を構成している。
特に、本実施形態において、第２超音波素子４１の超音波送信面４１Ｓは、流路２０の第１壁面２１の一部を構成し、第３超音波素子４２の超音波受信面４２Ｓは、流路２０の第２壁面２２の一部を構成している。
バースト波発生回路５２は、ＣＰＵ５６からの測定要求に応じて任意周波数の駆動信号を形成し、送受信部４０Ａの第２超音波素子４１に対して所定時間だけ駆動信号を出力する。
受信回路５３は、例えば、増幅回路や検波回路を含んで構成され、送受信部４０Ａの第３超音波素子４２において超音波を受信した際に出力される受信信号に対して信号処理を施し、信号処理された受信信号をＴＯＦ計測回路５４に出力する。
ＴＯＦ計測回路５４は、第２超音波素子４１が超音波を送信してから第３超音波素子４２が超音波を受信するまでの時間である飛行時間（ＴＯＦ値）を計測する。
受信回路５３は、例えば、増幅回路や検波回路を含んで構成され、送受信部４０Ａの第３超音波素子４２において超音波を受信した際に出力される受信信号に対して信号処理を施し、信号処理された受信信号をＴＯＦ計測回路５４に出力する。
ＴＯＦ計測回路５４は、第２超音波素子４１が超音波を送信してから第３超音波素子４２が超音波を受信するまでの時間である飛行時間（ＴＯＦ値）を計測する。
以上の第２実施形態に係る流体デバイス１０Ａでは、上述の第１実施形態と同様、図２のフローチャートに従った制御が行われる。
ここで、流路２０内の流体Ｓに定在波が発生するための条件は、第１実施形態と同様、以下の式（１）によって表される。式中、Ｆｓは、最適駆動周波数であり、ｍは定在波ＳＷの次数であり、ｃは流体Ｓ中の音速であり、Ｌは流路２０の流路幅である。
ただし、第２実施形態の送受信部４０Ａによれば、ＴＯＦ値を計測するために超音波が流体Ｓ中を進む距離は第１実施形態の半分であるため、流体Ｓ中の音速ｃは、以下の式（４）によって表される。式中、ＴＯＦは、ＴＯＦ計測回路５４で計測されるＴＯＦ値である。
上記式（１），（４）によれば、最適駆動周波数Ｆｓは、以下の式（５）によって表される。
よって、第２実施形態では、図２のフローチャート中のステップＳ３において、ＴＯＦ計測回路５４で計測されたＴＯＦ値を上記式（５）に代入することで、最適駆動周波数Ｆｓを求めることができる。
ここで、流路２０内の流体Ｓに定在波が発生するための条件は、第１実施形態と同様、以下の式（１）によって表される。式中、Ｆｓは、最適駆動周波数であり、ｍは定在波ＳＷの次数であり、ｃは流体Ｓ中の音速であり、Ｌは流路２０の流路幅である。
このような第２実施形態によれば、上述の第１実施形態と同様、流体Ｓの温度が変化する場合であっても、安定的に定在波ＳＷを発生させることができる。
また、第２実施形態では、送受信部４０Ａが超音波の送信側である第２超音波素子４１と、超音波の受信側である第３超音波素子４２とに分かれているため、流路幅Ｌが小さい場合であっても、超音波送信時の残響による受信ノイズが生じ難い。このため、第１実施形態と比べて、流路幅Ｌが小さい場合であっても、定在波発生部３０の駆動を高精度にフィードバック制御することができる。
また、第２実施形態では、送受信部４０Ａが超音波の送信側である第２超音波素子４１と、超音波の受信側である第３超音波素子４２とに分かれているため、流路幅Ｌが小さい場合であっても、超音波送信時の残響による受信ノイズが生じ難い。このため、第１実施形態と比べて、流路幅Ｌが小さい場合であっても、定在波発生部３０の駆動を高精度にフィードバック制御することができる。
［第３実施形態］
次に、図４を参照し、第３実施形態の流体デバイス１０Ｂについて説明する。
図４は、第３実施形態の流体デバイス１０Ｂを模式的に示す図である。
流体デバイス１０Ｂでは、第１実施形態の定在波発生部３０および送受信部４０が同一の超音波素子６０によって構成されている。以下では、第１実施形態と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
次に、図４を参照し、第３実施形態の流体デバイス１０Ｂについて説明する。
図４は、第３実施形態の流体デバイス１０Ｂを模式的に示す図である。
流体デバイス１０Ｂでは、第１実施形態の定在波発生部３０および送受信部４０が同一の超音波素子６０によって構成されている。以下では、第１実施形態と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
第３実施形態において、超音波素子６０は、流路２０に設けられており、定在波発生部として動作する第１モードと、送受信部として動作する第２駆動モードとに切り替わることができる。
第１モードの超音波素子６０は、流路２０内の流体Ｓに対して、所定周波数の超音波を送信することで、当該流体Ｓに定在波ＳＷを発生させる。
第２モードの超音波素子６０は、流路２０内の流体Ｓに対して任意の周波数の超音波を送信すると共に、流体Ｓを伝達した超音波を受信することで、当該超音波に応じた受信信号を出力する。
特に、本実施形態において、超音波素子６０の超音波送受信面６０Ｓは、流路２０の第１壁面２１の一部を構成するように配置されており、超音波素子６０は、超音波送受信面６０Ｓから送信され、流路２０の第２壁面２２で反射された超音波を受信する。
第１モードの超音波素子６０は、流路２０内の流体Ｓに対して、所定周波数の超音波を送信することで、当該流体Ｓに定在波ＳＷを発生させる。
第２モードの超音波素子６０は、流路２０内の流体Ｓに対して任意の周波数の超音波を送信すると共に、流体Ｓを伝達した超音波を受信することで、当該超音波に応じた受信信号を出力する。
特に、本実施形態において、超音波素子６０の超音波送受信面６０Ｓは、流路２０の第１壁面２１の一部を構成するように配置されており、超音波素子６０は、超音波送受信面６０Ｓから送信され、流路２０の第２壁面２２で反射された超音波を受信する。
制御部５０Ｂは、超音波素子６０の第１モードと第２モードとを切り替えるスイッチ部５９をさらに備える。このスイッチ部５９は、一端が超音波素子６０に接続されており、他端の接続先を連続波発生回路５１とバースト波発生回路５２との間で切り替えることができる。また、制御部５０Ｂにおいて、プロセッサー５８は、スイッチ部５９の接続先を制御するためのモード切替部５８３としても機能する。
次に、第３実施形態の流体デバイス１０Ｂの制御について、図５のフローチャートを参照して説明する。なお、第１実施形態と同様のステップには、同様の符号を付し、説明を簡略化する場合がある。
まず、初期段階において、スイッチ部５９は連続波発生回路５１に接続されており、第１モードの超音波素子６０が定在波ＳＷを発生させている。
予め定められた所定の測定タイミングになったとき（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、モード切替部５８３がスイッチ部５９に対して切替信号を出力すると共に、測定制御部５８１がバースト波発生回路５２に測定要求を出力する。すると、スイッチ部５９の接続先が連続波発生回路５１からバースト波発生回路５２に切り替わり（ステップＳ１１）、バースト波発生回路５２がバースト波を形成するための駆動信号を所定時間出力する（ステップＳ２）。これにより、超音波素子６０は、第１モードから第２モードに切り替わり、バースト波発生回路５２から入力される駆動信号に応じて所定時間だけ超音波を送信する。当該超音波は、流体Ｓに伝達され、流路２０の第２壁面２２で反射した後、超音波素子６０に入射する。超音波素子６０は、入射された超音波に応じた受信信号を出力し、ＴＯＦ計測回路５４は、当該受信信号に基づいて、超音波素子６０が超音波を送信してから超音波素子６０が超音波を受信するまでの時間であるＴＯＦ値を計測する。
予め定められた所定の測定タイミングになったとき（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、モード切替部５８３がスイッチ部５９に対して切替信号を出力すると共に、測定制御部５８１がバースト波発生回路５２に測定要求を出力する。すると、スイッチ部５９の接続先が連続波発生回路５１からバースト波発生回路５２に切り替わり（ステップＳ１１）、バースト波発生回路５２がバースト波を形成するための駆動信号を所定時間出力する（ステップＳ２）。これにより、超音波素子６０は、第１モードから第２モードに切り替わり、バースト波発生回路５２から入力される駆動信号に応じて所定時間だけ超音波を送信する。当該超音波は、流体Ｓに伝達され、流路２０の第２壁面２２で反射した後、超音波素子６０に入射する。超音波素子６０は、入射された超音波に応じた受信信号を出力し、ＴＯＦ計測回路５４は、当該受信信号に基づいて、超音波素子６０が超音波を送信してから超音波素子６０が超音波を受信するまでの時間であるＴＯＦ値を計測する。
次に、駆動制御部５８２は、ＴＯＦ計測回路５４から入力されるＴＯＦ値に基づいて、流路２０内の流体Ｓに定在波を発生させるための最適駆動周波数Ｆｓを求める（ステップＳ３）。
その後、駆動制御部５８２は、メモリー５７を参照し、上述のステップＳ３で求めた最適駆動周波数Ｆｓが第１モードの超音波素子６０における駆動周波数Ｆｄと一致しているか否かを判定する（ステップＳ４）。なお、駆動制御部５８２は、駆動周波数Ｆｄと最適駆動周波数Ｆｓとの差の絶対値が所定の閾値以下である場合に、「一致している」と判定すればよい。
その後、駆動制御部５８２は、メモリー５７を参照し、上述のステップＳ３で求めた最適駆動周波数Ｆｓが第１モードの超音波素子６０における駆動周波数Ｆｄと一致しているか否かを判定する（ステップＳ４）。なお、駆動制御部５８２は、駆動周波数Ｆｄと最適駆動周波数Ｆｓとの差の絶対値が所定の閾値以下である場合に、「一致している」と判定すればよい。
最適駆動周波数Ｆｓが駆動周波数Ｆｄと一致していると判定された場合（ステップＳ４；ＹＥＳの場合）、制御部５０における処理は、後述のステップＳ１２に進む。
一方、最適駆動周波数Ｆｓが駆動周波数Ｆｄと一致していないと判定された場合（ステップＳ４；ＮＯの場合）、駆動制御部５８２は、当該駆動周波数Ｆｄを最適駆動周波数Ｆｓに合わせるように調整する（ステップＳ５）。
一方、最適駆動周波数Ｆｓが駆動周波数Ｆｄと一致していないと判定された場合（ステップＳ４；ＮＯの場合）、駆動制御部５８２は、当該駆動周波数Ｆｄを最適駆動周波数Ｆｓに合わせるように調整する（ステップＳ５）。
そして、モード切替部５８３がスイッチ部５９に対して切替信号を出力すると、スイッチ部５９の接続先がバースト波発生回路５２から連続波発生回路５１に切り替わる（ステップＳ１２）。これにより、超音波素子６０が第２モードから第１モードに切り替わり、定在波ＳＷの発生を再開させる。
その後、制御部５０における処理はステップＳ１に戻る。なお、制御部５０では、予め定められた所定間隔で繰り返し測定タイミングとなり、上述のフローチャートが繰り返し行われることが好ましい。
その後、制御部５０における処理はステップＳ１に戻る。なお、制御部５０では、予め定められた所定間隔で繰り返し測定タイミングとなり、上述のフローチャートが繰り返し行われることが好ましい。
このような第３実施形態によれば、上述の第１実施形態と同様、流体Ｓの温度が変化する場合であっても、安定的に定在波ＳＷを発生させることができる。
また、第３実施形態では、１つの超音波素子６０が定在波発生部と送受信部とを兼ねるため、流体デバイス１０Ｂの構成を簡素化することができる。
また、第３実施形態では、１つの超音波素子６０が定在波発生部と送受信部とを兼ねるため、流体デバイス１０Ｂの構成を簡素化することができる。
［変形例］
本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、および各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、および各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
上記第１実施形態において、定在波発生部３０および送受信部４０は、それぞれ流路２０の流路壁面を形成するが、これに限定されない。例えば、定在波発生部３０と流体Ｓとの間に流路２０の壁部材が配置されてもよいし、送受信部４０と流体Ｓとの間に流路２０の壁部材が配置されてもよい。なお、送受信部４０と流体Ｓとの間に流路２０の壁部材が配置される場合には、壁部材における超音波の伝達時間を考慮した演算処理を行うことで、最適駆動周波数Ｆｓを求めることが好ましい。このような変形例は、上記第２，第３実施形態においても同様である。
また、上記第１実施形態において、送受信部４０は、超音波送受信面４０ＳがＹ軸方向に面するように配置されるが、これに限られず、Ｙ軸方向に交差する方向、例えばＺ軸方向に面するように配置されてもよい。また、このような変形例では、ＴＯＦ値を計測するために超音波が流体Ｓ中を進む送受信距離ｘを予め求めておくことが好ましい。これにより、上述のステップＳ３では、ＴＯＦ値を下記式（６）に代入することで、最適駆動周波数Ｆｓを求めることができる。このような変形例は、上記第２実施形態においても同様である。
また、上記各実施形態において、ＴＯＦ値に基づいて定在波発生部の駆動を制御する方法は、最適駆動周波数Ｆｓを算出する方法に限定されず、ＴＯＦ値の変化幅に基づいて周波数の変化幅を求めるなど、他の演算を行ってもよい。
［本開示のまとめ］
本開示に係る第一態様の流体デバイスは、第１軸に沿って延伸し、内部に流体が流通する流路と、前記流路内の前記流体に前記第１軸に直交する第２軸に沿った定在波を発生させる定在波発生部と、前記流路内の前記流体に超音波を送信すると共に、前記流体を伝達した前記超音波を受信する送受信部と、前記送受信部が前記超音波を送信してから受信するまでの時間である飛行時間を測定する飛行時間測定部と、前記飛行時間に基づいて前記定在波発生部の駆動を制御する駆動制御部と、を備える。
これにより、定在波発生部の駆動を流体の温度変化に応じてフィードバック制御することができる。その結果、流体の温度が変化する場合であっても、定在波を安定的に発生させることができる。
本開示に係る第一態様の流体デバイスは、第１軸に沿って延伸し、内部に流体が流通する流路と、前記流路内の前記流体に前記第１軸に直交する第２軸に沿った定在波を発生させる定在波発生部と、前記流路内の前記流体に超音波を送信すると共に、前記流体を伝達した前記超音波を受信する送受信部と、前記送受信部が前記超音波を送信してから受信するまでの時間である飛行時間を測定する飛行時間測定部と、前記飛行時間に基づいて前記定在波発生部の駆動を制御する駆動制御部と、を備える。
これにより、定在波発生部の駆動を流体の温度変化に応じてフィードバック制御することができる。その結果、流体の温度が変化する場合であっても、定在波を安定的に発生させることができる。
第一態様の流体デバイスにおいて、前記定在波発生部は、前記流路に配置された第１超音波素子であり、前記送受信部は、前記流路において前記第１超音波素子と異なる位置に配置された第２超音波素子であり、前記飛行時間測定部は、前記第２超音波素子が前記超音波を送信してから前記超音波の反射波を受信するまでの時間である前記飛行時間を測定し、前記駆動制御部は、前記飛行時間に基づいて前記第１超音波素子の駆動周波数を制御してもよい。
このような構成では、流路内の反射波を利用することで、送受信部を簡素に構成することができる。
このような構成では、流路内の反射波を利用することで、送受信部を簡素に構成することができる。
第一態様の流体デバイスにおいて、前記定在波発生部は、前記流路に配置された第１超音波素子であり、前記送受信部は、前記流路において前記第１超音波素子とは異なる位置に配置され、前記流路内の前記流体に前記超音波を送信する第２超音波素子と、前記流路において前記第２超音波素子に対向する位置に配置され、前記第２超音波素子から送信されて前記流路内の前記流体を伝達した前記超音波を受信する第３超音波素子と、を含み、前記飛行時間測定部は、前記第２超音波素子が前記超音波を送信してから前記第３超音波素子が前記超音波を受信するまでの時間である前記飛行時間を測定し、前記駆動制御部は、前記飛行時間に基づいて前記第１超音波素子の駆動周波数を制御してもよい。
このような構成では、流路幅が小さい場合であっても、定在波発生部の駆動を高精度にフィードバック制御することができる。
このような構成では、流路幅が小さい場合であっても、定在波発生部の駆動を高精度にフィードバック制御することができる。
第一態様の流体デバイスにおいて、前記定在波発生部および前記送受信部は、同一の超音波素子であり、前記超音波素子が前記定在波発生部として動作する第１モードと、前記超音波素子が前記送受信部として動作する第２モードとを切り替え可能であるスイッチ部をさらに備え、前記飛行時間測定部は、前記第２モードの前記超音波素子が前記超音波を送信してから受信するまでの時間である前記飛行時間を測定し、前記駆動制御部は、前記第１モードの前記超音波素子の駆動周波数を制御する。
このような構成では、１つの超音波素子が定在波発生部と送受信部とを兼ねるため、超音波デバイスの構成を簡素化することができる。
このような構成では、１つの超音波素子が定在波発生部と送受信部とを兼ねるため、超音波デバイスの構成を簡素化することができる。
本開示に係る第二態様は、第１軸に沿って延伸し、内部に流体が流通する流路と、前記流路内の前記流体に前記第１軸に直交する第２軸に沿った定在波を発生させる定在波発生部と、前記流路内の前記流体に超音波を送信すると共に、前記流体を伝達した前記超音波を受信する送受信部と、を備える流体デバイスの制御方法であって、前記送受信部が前記超音波を送信してから受信するまでの時間である飛行時間を測定する測定ステップと、前記飛行時間に基づいて前記定在波発生部の駆動を制御する制御ステップとを含む。
これにより、本開示に係る第一態様と同様、流体の温度が変化する場合であっても、定在波を安定的に発生させることができる。
これにより、本開示に係る第一態様と同様、流体の温度が変化する場合であっても、定在波を安定的に発生させることができる。
１０，１０Ａ，１０Ｂ…流体デバイス、２０…流路、２１…第１壁面、２２…第２壁面、３０…定在波発生部、３０Ｓ…超音波送信面、４０，４０Ａ…送受信部、４０Ｓ…超音波送受信面、４１…第２超音波素子、４１Ｓ…超音波送信面、４２…第３超音波素子、４２Ｓ…超音波受信面、５０，５０Ｂ…制御部、５１…連続波発生回路、５２…バースト波発生回路、５３…受信回路、５４…ＴＯＦ計測回路、５５…飛行時間測定部、５６…ＣＰＵ、５７…メモリー、５８…プロセッサー、５８１…測定制御部、５８２…駆動制御部、５８３…モード切替部、５９…スイッチ部、６０…超音波素子、６０Ｓ…超音波送受信面、Ｌ…流路幅、Ｍ…微粒子、Ｓ…流体、ＳＷ…定在波。
Claims (5)
- 第１軸に沿って延伸し、内部に流体が流通する流路と、
前記流路内の前記流体に前記第１軸に直交する第２軸に沿った定在波を発生させる定在波発生部と、
前記流路内の前記流体に超音波を送信すると共に、前記流体を伝達した前記超音波を受信する送受信部と、
前記送受信部が前記超音波を送信してから受信するまでの時間である飛行時間を測定する飛行時間測定部と、
前記飛行時間に基づいて前記定在波発生部の駆動を制御する駆動制御部と、を備える、流体デバイス。 - 前記定在波発生部は、前記流路に配置された第１超音波素子であり、
前記送受信部は、前記流路において前記第１超音波素子と異なる位置に配置された第２超音波素子であり、
前記飛行時間測定部は、前記第２超音波素子が前記超音波を送信してから前記超音波の反射波を受信するまでの時間である前記飛行時間を測定し、
前記駆動制御部は、前記飛行時間に基づいて前記第１超音波素子の駆動周波数を制御する、請求項１に記載の流体デバイス。 - 前記定在波発生部は、前記流路に配置された第１超音波素子であり、
前記送受信部は、
前記流路において前記第１超音波素子とは異なる位置に配置され、前記流路内の前記流体に前記超音波を送信する第２超音波素子と、
前記流路において前記第２超音波素子に対向する位置に配置され、前記第２超音波素子から送信されて前記流路内の前記流体を伝達した前記超音波を受信する第３超音波素子と、を含み、
前記飛行時間測定部は、前記第２超音波素子が前記超音波を送信してから前記第３超音波素子が前記超音波を受信するまでの時間である前記飛行時間を測定し、
前記駆動制御部は、前記飛行時間に基づいて前記第１超音波素子の駆動周波数を制御する、請求項１に記載の流体デバイス。 - 前記定在波発生部および前記送受信部は、同一の超音波素子であり、
前記超音波素子が前記定在波発生部として動作する第１モードと、前記超音波素子が前記送受信部として動作する第２モードとを切り替え可能であるスイッチ部をさらに備え、
前記飛行時間測定部は、前記第２モードの前記超音波素子が前記超音波を送信してから受信するまでの時間である前記飛行時間を測定し、
前記駆動制御部は、前記第１モードの前記超音波素子の駆動周波数を制御する、請求項１に記載の流体デバイス。 - 第１軸に沿って延伸し、内部に流体が流通する流路と、前記流路内の前記流体に前記第１軸に直交する第２軸に沿った定在波を発生させる定在波発生部と、前記流路内の前記流体に超音波を送信すると共に、前記流体を伝達した前記超音波を受信する送受信部と、を備える流体デバイスの制御方法であって、
前記送受信部が前記超音波を送信してから受信するまでの時間である飛行時間を測定する測定ステップと、
前記飛行時間に基づいて前記定在波発生部の駆動を制御する制御ステップと、を含む、流体デバイスの制御方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022006963A JP2023105929A (ja) | 2022-01-20 | 2022-01-20 | 流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法 |
| CN202310086595.6A CN116459880A (zh) | 2022-01-20 | 2023-01-18 | 流体设备以及流体设备的控制方法 |
| US18/156,535 US20230228604A1 (en) | 2022-01-20 | 2023-01-19 | Fluidic device and method for controlling fluidic device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022006963A JP2023105929A (ja) | 2022-01-20 | 2022-01-20 | 流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023105929A true JP2023105929A (ja) | 2023-08-01 |
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ID=87162824
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022006963A Pending JP2023105929A (ja) | 2022-01-20 | 2022-01-20 | 流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230228604A1 (ja) |
| JP (1) | JP2023105929A (ja) |
| CN (1) | CN116459880A (ja) |
-
2022
- 2022-01-20 JP JP2022006963A patent/JP2023105929A/ja active Pending
-
2023
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116459880A (zh) | 2023-07-21 |
| US20230228604A1 (en) | 2023-07-20 |
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