JP2024004995A - 流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法 - Google Patents

流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2024004995A
JP2024004995A JP2022104948A JP2022104948A JP2024004995A JP 2024004995 A JP2024004995 A JP 2024004995A JP 2022104948 A JP2022104948 A JP 2022104948A JP 2022104948 A JP2022104948 A JP 2022104948A JP 2024004995 A JP2024004995 A JP 2024004995A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fluid
flow rate
flow
flow path
drive signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2022104948A
Other languages
English (en)
Inventor
景太 久保
Keita Kubo
力 小島
Chikara Kojima
満 宮坂
Mitsuru Miyasaka
義雄 新井
Yoshio Arai
紘斗 冨岡
Hiroto Tomioka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2022104948A priority Critical patent/JP2024004995A/ja
Priority to CN202310771346.0A priority patent/CN117298747A/zh
Priority to US18/343,077 priority patent/US20240003932A1/en
Publication of JP2024004995A publication Critical patent/JP2024004995A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D43/00—Separating particles from liquids, or liquids from solids, otherwise than by sedimentation or filtration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/241—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by using reflection of acoustical waves, i.e. Doppler-effect
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D21/00—Separation of suspended solid particles from liquids by sedimentation
    • B01D21/28—Mechanical auxiliary equipment for acceleration of sedimentation, e.g. by vibrators or the like
    • B01D21/283—Settling tanks provided with vibrators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D21/00—Separation of suspended solid particles from liquids by sedimentation
    • B01D21/30—Control equipment
    • B01D21/34—Controlling the feed distribution; Controlling the liquid level ; Control of process parameters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/008—Control or steering systems not provided for elsewhere in subclass C02F
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/34—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations
    • C02F1/36—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations ultrasonic vibrations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/10—Devices for withdrawing samples in the liquid or fluent state
    • G01N1/20—Devices for withdrawing samples in the liquid or fluent state for flowing or falling materials
    • G01N1/2035—Devices for withdrawing samples in the liquid or fluent state for flowing or falling materials by deviating part of a fluid stream, e.g. by drawing-off or tapping
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/40—Concentrating samples
    • G01N1/4077—Concentrating samples by other techniques involving separation of suspended solids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2209/00—Controlling or monitoring parameters in water treatment
    • C02F2209/005—Processes using a programmable logic controller [PLC]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2209/00—Controlling or monitoring parameters in water treatment
    • C02F2209/40—Liquid flow rate
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/40—Concentrating samples
    • G01N1/4077—Concentrating samples by other techniques involving separation of suspended solids
    • G01N2001/4094—Concentrating samples by other techniques involving separation of suspended solids using ultrasound

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • External Artificial Organs (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

【課題】所望の大きさの微粒子を安定して捕捉することができる流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法を提供する。【解決手段】流体デバイス１０は、微粒子を含有する流体が流通する流路２０と、駆動信号の入力によって、流路２０内の流体に超音波を送信する超音波送信部６０と、流路２０における流体の流速を測定する流速測定部４０と、超音波送信部６０を制御する制御部７０と、を備え、制御部７０は、流速測定部４０により測定された流速である測定流速に応じて駆動信号の振幅を設定し、設定された振幅の駆動信号を超音波送信部６０に入力する。【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、流体中に分散する微粒子を流体から分離するデバイスが知られている。例えば、特許文献１に開示される流体デバイスは、流路が形成された基板と、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、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集束し、集束した微粒子を含む濃縮液が回収される。
国際公開第２００５／０５８４５９号
上記特許文献１に記載したような流体デバイスでは、捕捉可能な微粒子の大きさを調整することが望まれる。しかし、所望の大きさの微粒子を捕捉できるように流体デバイスの出力（すなわち超音波の振幅）を調整した場合、流体の流速が変化することで、捕捉可能な微粒子の大きさが変化するという問題がある。その結果、所望の大きさの微粒子を安定して捕捉することが困難である。
本開示の第１態様に係る流体デバイスは、微粒子を含有する流体が流通する流路と、駆動信号の入力によって、前記流路内の前記流体に超音波を送信する超音波送信部と、前記流路における前記流体の流速を測定する流速測定部と、前記超音波送信部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記流速測定部により測定された流速である測定流速に応じて前記駆動信号の振幅を設定し、設定された振幅の前記駆動信号を前記超音波送信部に入力する。
本開示の第２態様に係る流体デバイスの制御方法は、微粒子を含有する流体が流通する流路と、駆動信号の入力によって、前記流路内の前記流体に超音波を送信する超音波送信部と、前記流路における前記流体の流速を測定する流速測定部と、を備える流体デバイスの制御方法であって、前記流速測定部により測定された流速である測定流速に応じて前記駆動信号の振幅を設定し、設定された振幅の前記駆動信号を前記超音波送信部に入力する。
第１実施形態の流体デバイスを示す模式図。 第１実施形態の流体デバイスにおける分離モジュールを模式的に示す断面図。 第１実施形態の流体デバイスの制御方法を説明するためのフローチャート。 第２実施形態の流体デバイスを示す模式図。 変形例の流体デバイスにおける流路系を示す図。 他の変形例の流体デバイスにおける流路系を示す図。
［第１実施形態］
第１実施形態の流体デバイスについて、図１および図２を参照して説明する。
（流体デバイスの構成）
図１および図２に示すように、本実施形態の流体デバイス１０は、微粒子Ｍを含有する流体Ｓが流通する流路２０と、流路２０内に流体Ｓの流れを発生させるポンプ３０と、流路２０における流体Ｓの流速を測定する流速測定部４０と、流路２０の一部を含む分離モジュール５０と、流体デバイス１０の動作を制御する制御部７０と、これらを収容する筐体８０と、を備える。
本実施形態の流体デバイス１０は、分離モジュール５０における流路２０内の流体Ｓ中の微粒子Ｍを超音波によって捕捉することで、当該微粒子Ｍが濃縮された流体Ｓを回収可能にするものである。また、本実施形態の流体デバイス１０は、流路２０を流通する流体Ｓの流速を測定し、測定結果に基づいて流体デバイス１０の出力（すなわち超音波の振幅）を設定または調整するものである。
本実施形態において、流体Ｓは、特に限定されないが、例えば水や血液などの任意の液体である。微粒子Ｍは、特に限定されないが、例えば微小繊維や細胞である。なお、図２では、図の簡略化のため、複数の微粒子Ｍの大きさが同一であるが、様々な大きさの微粒子Ｍが流体Ｓに分散しているものとする。
図１に示すように、流路２０は、流体Ｓが流入する流入口２１と、流入口２１と分離モジュール５０との間を連通する連通流路２２と、分離モジュール５０に含まれる分離流路２３と、分離モジュール５０で捕捉された微粒子Ｍを含む流体Ｓ（すなわち濃縮液）を排出する濃縮出口２４と、分離モジュール５０から濃縮液以外の流体Ｓを排出する排出口２５と、を有する。なお、濃縮出口２４および排出口２５は、本発明の排出口に対応する。
ポンプ３０は、例えばペリスタポンプやダイヤフラムポンプなど、流路２０内に流体Ｓの流れを発生させる任意の装置を利用できる。本実施形態において、ポンプ３０は、連通流路２２における任意の位置に設けられる。
流速測定部４０は、例えば超音波流量計など、流路２０における流体Ｓの流速を測定する任意の装置を利用できる。本実施形態において、流速測定部４０は、連通流路２２において、ポンプ３０の下流側となる位置に設けられているが、ポンプ３０の上流側となる位置に設けられてもよい。
図２に示すように、分離モジュール５０は、流路２０の一部である分離流路２３と、分離流路２３内の流体Ｓに超音波を送信する超音波送信部６０と、を有する。
分離流路２３は、例えば流路基板５１に形成される。流路基板５１は、分離流路２３に対応する凹溝を有するベース基板と、当該凹溝を覆うリッド基板とによって構成される。これら基板は、特に限定されないが、例えばガラス基板やシリコン基板を利用できる。また、分離流路２３は、連通流路２２から流体Ｓが流入する流入流路２３１と、定在波が形成される流路本体２３２と、定在波により捕捉された微粒子を含む流体Ｓを選択的に流通させる濃縮流路２３３と、それ以外の流体Ｓを選択的に流通させる排出流路２３４と、を有する。
流路本体２３２は、流体Ｓの流通方向（Ｘ方向）に直交する任意の流路幅方向（Ｙ方向）において互いに対向する第１壁面２３５および第２壁面２３６を有する。第１壁面２３５と第２壁面２３６との間の流路幅Ｌは、既知の値とする。
濃縮流路２３３には、上述の濃縮出口２４が接続され、排出流路２３４には、上述の排出口２５が接続される。
超音波送信部６０は、第１壁面２３５の一部を構成する超音波送信面６０Ａを有しており、当該超音波送信面６０Ａが流路本体２３２内の流体Ｓに面することで、当該流体Ｓに超音波を送信可能である。
具体的には、超音波送信部６０は、素子基板６１と、素子基板６１に支持される振動膜６２と、振動膜６２に設けられる圧電素子６３と、を備えている。素子基板６１は、Ｓｉ等の半導体基板で構成されており、当該素子基板６１を厚み方向に貫通する開口部６１１が設けられている。振動膜６２は、例えばＳｉＯ２膜およびＺｒＯ２膜など、複数種類の膜を積層した積層体等より構成されており、素子基板６１に支持されると共に、開口部６１１を閉塞する。開口部６１１には音響整合層が設けられてもよい。この振動膜６２のうち、素子基板６１の厚み方向における平面視で開口部６１１と重なる部分は、超音波の送信を行う振動部６２１を構成する。圧電素子６３は、振動部６２１と重なる位置に設けられている。圧電素子６３は、図示を省略するが、下部電極、圧電膜および上部電極が振動膜６２上に順に積層されることにより構成されている。
このような超音波送信部６０では、後述の駆動回路７１から圧電素子６３に駆動信号Ｓｄが入力されると、圧電素子６３の圧電膜が伸縮することにより、振動部６２１が素子基板６１の厚み方向に撓み振動する。振動部６２１の撓み振動が流体Ｓの粗密波に変換されることで、超音波送信部６０から流体Ｓへの超音波の伝搬が行われる。ここで、素子基板６１の厚み方向は、流路本体２３２の流路幅方向（Ｙ方向）に沿った方向であるため、当該流路幅方向（Ｙ方向）に超音波が送信される。
制御部７０は、図１に示すように、超音波送信部６０を駆動する駆動回路７１と、各種制御を行うプロセッサー７２と、メモリー７３と、を備える。
駆動回路７１は、超音波送信部６０に対して所定周波数の駆動信号Ｓｄを出力する。なお、駆動信号Ｓｄの振幅（すなわち駆動電圧Ｖｄ）は、超音波送信部６０から送信される超音波の振幅に対応する。
プロセッサー７２は、メモリー７３に記憶されたプログラムを実行することで、測定制御部７２１および駆動制御部７２２として機能する。測定制御部７２１および駆動制御部７２２の詳細については後述する。
メモリー７３は、各種プログラムや各種データを記憶する記憶装置である。例えば、メモリー７３には、測定流速Ｖと駆動電圧Ｖｄとの対応関係を示す駆動テーブルまたは演算係数が記憶されている。駆動テーブルまたは演算係数は、捕捉対象となる微粒子Ｍの大きさごとに準備されていることが好ましい。なお、微粒子Ｍの大きさは、微粒子Ｍの寸法や体積など、任意の数値範囲ごとに区分されていてもよい。
筐体８０は、流路２０、流速測定部４０、分離モジュール５０および制御部７０を収容する。これにより、流体デバイス１０は、一体的に構成される。なお、流路２０の流入口２１、濃縮出口２４および排出口２５は、筐体８０に設けられる。また、筐体８０内には、流体デバイス１０の各部位に電力を供給するバッテリーが収容されてもよい。また、特に限定されないが、１００ｃｃ以下の筐体８０に対して各部位を収容することで、流体デバイス１０を小型化することが好ましい。
（流体デバイスの制御メカニズム）
本実施形態の流体デバイス１０において、流体Ｓ中の微粒子Ｍを濃縮するメカニズムについて説明する。
超音波送信部６０から送信される超音波は、球面波として流体Ｓ中に放射状に拡散され、このうち流路幅方向（Ｙ方向）に沿って進む超音波が、第１壁面２３５と第２壁面２３６との間で反射を繰り返すことで、流路本体２３２内に定在波ＳＷを発生させる。
ここで、超音波送信部６０から送信される超音波の周波数をｆ、定在波ＳＷのモード次数をｍ、流体Ｓ中の音速をｃ、流路２０の流路幅をＬとするとき、以下の式（１）の条件を満たす場合に定在波ＳＷが形成される。
Figure 2024004995000002
図２に示すように、１次モードの定在波ＳＷが生じる場合、流路本体２３２の流路幅方向（Ｙ方向）の中央部に節が現れ、流路本体２３２の流路幅方向の両端部のそれぞれに腹が現れる。この場合、流体Ｓよりも音響インピーダンスの高い微粒子Ｍは、流体Ｓが流路本体２３２内を流通する過程で、定在波ＳＷの節、すなわち流路本体２３２の流路幅方向の中央部へ集束する（音響集束）。そして、集束した微粒子Ｍを含む流体Ｓ（濃縮液）は、濃縮流路２３３を介して濃縮出口２４から排出され、それ以外の流体Ｓは、排出流路２３４を介して排出口２５から排出される。すなわち、微粒子Ｍが濃縮液として流体Ｓから分離される。
なお、本実施形態では、説明の簡略化のため、１次モードの定在波ＳＷを生じさせる例を用いるが、定在波ＳＷのモード次数は特に限定されない。
ここで、流体デバイス１０による微粒子Ｍの捕捉力とは、音響集束により捕捉可能な微粒子の大きさの下限を決定するものであり、当該捕捉力が大きいほど、より小さな微粒子を捕捉可能になる。
このような流体デバイス１０による微粒子Ｍの捕捉力は、超音波の振幅（すなわち駆動電圧Ｖｄ）と流体Ｓの流速とに依存している。仮に、所望の大きさの微粒子Ｍを捕捉できるように、所定の流速下で駆動電圧Ｖｄを調整した場合、ポンプ３０の出力変動等によって流速が変化すると、捕捉可能な微粒子Ｍの大きさ範囲が変化する。例えば、流速が速くなると、所望の大きさの微粒子Ｍが十分に集束する前に流体Ｓが定在波ＳＷの形成範囲を通過してしまい、所望の大きさの微粒子Ｍを十分に捕捉することができない。一方、流速が遅くなると、流体Ｓが定在波ＳＷの形成範囲を通過する間において、所望の大きさの微粒子Ｍだけでなく、より小さな微粒子Ｍも共に集束してしまい、捕捉可能な微粒子Ｍの大きさの精度が低下する。
そこで、本実施形態では、後述するように流体Ｓの流速を測定し、測定された流速（測定流速Ｖ）に応じて駆動電圧Ｖｄを調整することで、所望の大きさの微粒子Ｍを安定して捕捉可能にする。
（流体デバイスの制御方法）
本実施形態の流体デバイス１０の制御方法の一例について、図３のフローチャートを参照して説明する。なお、フローチャートの開始前、捕捉対象となる微粒子Ｍの大きさについて、予め所定の大きさが設定されていてもよいし、使用者の操作に応じて設定されてもよい。また、本実施形態では、説明の簡略化のため、定在波ＳＷを形成するための所定周波数ｆが予め決定されているものとする。
まず、使用者の開始操作などに応じて、ポンプ３０が始動する（ステップＳ１）。このとき、ポンプ３０の出力は、使用者の操作に応じて設定されてもよいし、予め所定出力に設定されていてもよい。
ポンプ３０の始動から所定時間経過後、測定制御部７２１は、流速測定部４０に対して測定指示を出力し、流速測定部４０に測定された流体Ｓの流速（すなわち測定流速Ｖ）を取得する（ステップＳ２）。なお、所定時間は、例えばポンプ３０の駆動が安定するために要する時間である。また、ステップＳ２で測定された測定流速Ｖの値は、基準流速Ｖｓとしてメモリー７３に記憶される。
次いで、駆動制御部７２２は、ステップＳ２で測定された測定流速Ｖに応じて、駆動電圧Ｖｄを設定する（ステップＳ３）。これにより、超音波送信部６０から送信される超音波の振幅が設定される。
例えば、駆動制御部７２２は、メモリー７３から捕捉対象の微粒子Ｍの大きさに対応する駆動テーブルまたは演算係数を特定し、特定された駆動テーブルまたは演算係数に基づいて、ステップＳ２で測定された測定流速Ｖに対応する駆動電圧Ｖｄの値を算出し、算出された値を駆動回路７１に設定する。
その後、駆動回路７１は、定在波ＳＷを形成するための所定周波数ｆと、ステップＳ３で設定された駆動電圧Ｖｄとを有する駆動信号Ｓｄを、超音波送信部６０に対して出力開始する（ステップＳ４）。これにより、超音波送信部６０から超音波が送信され、流体Ｓに定在波が形成されることで、微粒子Ｍの濃縮液が分離開始される。
そして、測定制御部７２１は、予め定められた所定の測定タイミングになったか否かを判定し（ステップＳ５）、測定タイミングになったと判定したとき（ステップＳ５；Ｙeｓの場合）、流速測定部４０に対して測定指令を出力し、流速測定部４０で測定された測定流速Ｖを取得する（ステップＳ６）。この測定タイミングは、特に限定されないが、例えば所定時間ごとに設定されていればよい。
次に、駆動制御部７２２は、ステップＳ６で測定された測定流速Ｖと、メモリー７３に記憶された基準流速Ｖｓとが一致するか否かを判定する（ステップＳ７）。ここで、「一致」とは、完全一致していることに限定されず、所定の誤差を含むものとする。すなわち、｜Ｖ－Ｖｓ｜が予め設定された誤差範囲内である場合に、両者が一致すると判定する。
ステップＳ７でＮｏと判定される場合、駆動制御部７２２は、ステップＳ５で測定された測定流速Ｖに応じて駆動電圧Ｖｄを調整する（ステップＳ８）。
具体的には、駆動制御部７２２は、メモリー７３から捕捉対象の微粒子Ｍの大きさに対応する駆動テーブルまたは演算係数を特定し、特定された駆動テーブルまたは演算係数に基づいて、ステップＳ６で測定された測定流速Ｖに対応する駆動電圧Ｖｄの値を算出し、算出された値を駆動回路７１に設定する。また、駆動制御部７２２は、ステップＳ６で測定された測定流速Ｖの値を、メモリー７３に記憶される基準流速Ｖｓとして更新する。
仮に、測定流速Ｖが基準流速Ｖｓよりも大きい場合、駆動制御部７２２は、駆動電圧Ｖｄとして現在の設定値よりも大きい値を算出し、駆動回路７１に設定される駆動電圧Ｖｄを増大させる。これにより、流体Ｓ中の微粒子Ｍが集束する速度が速くなるため、流体Ｓが定在波ＳＷの形成範囲を通過する間に所望の大きさの微粒子Ｍを十分に集束させることができる。
一方、測定流速Ｖが基準流速Ｖｓよりも小さい場合、駆動制御部７２２は、駆動電圧Ｖｄとして現在の設定値よりも小さい値を算出し、駆動回路７１に設定される駆動電圧Ｖｄを減少させる。これにより、流体Ｓ中の微粒子Ｍが集束する速度が遅くなるため、流体Ｓが定在波ＳＷの形成範囲を通過する間において、所望の大きさの微粒子Ｍを集束させつつ、所望の大きさよりも小さい微粒子Ｍを集束させないようにすることができる。
ステップＳ７でＹｅｓと判定される場合は、現在の駆動電圧Ｖｄによる超音波送信部６０の駆動が継続され、ステップＳ９に移行する。
その後、制御部７０は、濃縮液の分離を停止するか否かを判定する（ステップＳ９）。例えば、使用者の操作により停止指示が入力された場合や、予め定められた所定時間が経過した場合など、制御部７０は、ステップＳ９でＹｅｓと判定し、ポンプ３０や超音波送信部６０の各動作を停止させる（ステップＳ１０）。一方、制御部７０がステップＳ９でＮｏと判定する場合、ステップＳ５に戻る。
以上により、図３のフローチャートが継続する間、駆動電圧Ｖｄは、測定流速Ｖに応じて制御される。
（本実施形態の作用効果）
本実施形態の流体デバイス１０は、上述したように、超音波送信部６０から送信される超音波の音響力によって流体Ｓ中の微粒子Ｍを集束させることができる。また、測定流速Ｖに応じて駆動信号Ｓｄの振幅を調整することで、超音波の振幅を適切に設定することができる。その結果、所望の大きさの微粒子Ｍを安定して捕捉することができる。
本実施形態において、制御部７０は、測定流速Ｖが基準流速Ｖｓよりも大きい場合、駆動信号Ｓｄの振幅を増加させ、測定流速Ｖが基準流速Ｖｓよりも小さい場合、駆動信号Ｓｄの振幅を減少させる。これにより、所望の大きさの微粒子Ｍをより安定して捕捉することができる
本実施形態において、制御部７０は、設定された微粒子Ｍの大きさと、測定流速Ｖとに基づいて、駆動信号Ｓｄの振幅を調整する。これにより、所望の大きさの微粒子Ｍをより好適に回収できる。
本実施形態において、流速測定部４０は、流路２０における分離モジュール５０とポンプ３０との間の流体Ｓの流速を測定する。このような構成では、ポンプ３０、流速測定部４０および分離モジュール５０をそれぞれ別体として構成できるため、各構成の設置やメンテナンスが容易である。
本実施形態の超音波送信部６０は、流路２０に設けられた振動部６２１を含んでおり、超音波送信部６０から流体Ｓへ超音波を効率的に伝達させることができる。これにより、消費電力を抑制することができる。
本実施形態において、超音波送信部６０は、流体Ｓに超音波を送信することで、流体Ｓ中に流体Ｓの流通方向に直交する方向に沿った定在波ＳＷを発生させる。これにより、定在波ＳＷの節（または腹）に対して流体Ｓ中の微粒子Ｍを集束させることができ、微粒子Ｍの回収を好適に行うことができる。
本実施形態において、流速測定部４０、超音波送信部６０および制御部７０を収容する筐体８０をさらに備え、筐体８０には、流路２０の流入口２１、濃縮出口２４および排出口２５が設けられる。このような構成では、流体デバイス１０が一体的に構成され、流体デバイス１０の携帯性を向上できる。
［第２実施形態］
第２実施形態の流体デバイスについて図４を参照して説明する。
第２実施形態の流体デバイス１０Ａは、微粒子Ｍを検査するための構成をさらに備える点以外、第１実施形態とほぼ同様の構成を備える。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実施形態の流体デバイス１０Ａは、第１実施形態の流路２０の濃縮出口２４に替えて、検査モジュール９０を備える。検査モジュール９０は、分離モジュール５０内の濃縮流路２３３に接続され、集束した微粒子Ｍを含む流体Ｓ（濃縮液）を回収し、回収した濃縮液中の微粒子Ｍの各種情報を取得する。
また、第２実施形態のプロセッサー７２は、メモリー７３に記憶されたプログラムを実行することで、検査モジュール９０を制御する検査制御部７２３としても機能する。この検査制御部７２３は、検査モジュール９０で取得された情報に基づいて、微粒子Ｍの分析を行う。検査制御部７２３は、分析結果を表示部８１に表示させてもよいし、有線、無線などを介して外部端末に分析結果を送信してもよい。
なお、検査モジュール９０および検査制御部７２３によって行われる検査および分析の種類は、特に限定されない。例えば、検査モジュール９０および検査制御部７２３は、微粒子Ｍの濃度を測定するセルカウンターなどの分光光度計として構成されてもよい。また、検査モジュール９０は、撮像手段を備え、検査制御部７２３は、撮像された画像に基づいて微粒子Ｍを分析してもよい。あるいは、検査モジュール９０は、レーザー光源および分光器を備え、検査制御部７２３は、吸光光度分析法、ラマン分光法などの各種の分光法によって微粒子Ｍを分析してもよい。
第２実施形態の流体デバイス１０Ａの制御方法は、第１実施形態と同様である。ただし、図３のステップＳ９の判定では、検査モジュール９０に十分な濃縮液を回収できたか否かを基準としてもよい。
以上説明した第２実施形態の流体デバイス１０Ａでは、第１実施形態による効果に加え、回収した微粒子Ｍを好適に検査することができる。特に、第２実施形態の流体デバイス１０Ａは、様々な大きさの微粒子Ｍを含む流体Ｓ中の特定の大きさの微粒子Ｍを対象とした検査に好適に利用できる。
［変形例］
なお、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。
（変形例１）
上記各実施形態では、流速測定部４０が分離モジュール５０とポンプ３０との間の流体Ｓの流速を測定するように設けられる例を示しているが、流速測定部４０の配置はこれに限定されない。
図５は、変形例にかかる流速測定部４０の配置を示す流路図である。図５に示すように、流速測定部４０は、分離モジュール５０内の流体Ｓの流速を測定してもよい。この場合、流速測定部４０は、分離モジュール５０と一体的に構成することができる。このような変形例では、分離モジュール５０内の流体Ｓの流速を測定することで、駆動信号Ｓｄの振幅をより高精度に調整することができる。
図６は、他の変形例に係る流速測定部４０の配置を示す流路図である。図６に示すように、流速測定部４０は、ポンプ３０内の流体Ｓの流速を測定してもよい。この場合、流速測定部４０は、ポンプ３０と一体的に構成することができる。このような変形例では、流量計が一体に構成された市販ポンプをポンプ３０および流速測定部４０として利用することができる。
なお、上記各実施形態では、説明の簡略化のため、流速測定部４０が流速を出力するものとして記載しているが、流速測定部４０は、少なくとも流速の検出を行うセンサーであればよい。この場合、測定制御部７２１が、流速測定部４０から入力される検出信号に基づいて流速を算出する演算処理を行ってもよい。
（変形例２）
上記各実施形態では、流体デバイス１０，１０Ａの制御方法（図３参照）として、基準流速Ｖｓを初期設定するために、流速測定部４０による流速測定（ステップＳ２）を行っているが、これに限られない。例えば、基準流速Ｖｓの初期値は、ポンプ３０の出力等に基づいて予め設定されていてもよい。この場合、駆動電圧Ｖｄが予め設定されていてもよい。
（変形例３）
上記各実施形態では、流体デバイス１０，１０Ａの制御方法（図３参照）として、濃縮液の分離開始後、流速測定（ステップＳ６）を繰り返し行い、測定流速Ｖに応じて駆動電圧Ｖｄを調整しているが、これに限定されない。
例えば、最初に測定された測定流速Ｖに応じて駆動電圧Ｖｄの初期設定（ステップＳ３）を行った後、測定流速Ｖに応じた駆動電圧Ｖｄの調整（ステップＳ６～Ｓ８）を行わなくてもよい。
（変形例４）
上記各実施形態の流体デバイス１０，１０Ａは、流体Ｓの流れを発生させるポンプ３０を備えるが、このようなポンプ３０を備えなくてもよい。例えば、ポンプ３０は、筐体８０の外側に配置され、流体デバイス１０，１０Ａとは別体として設けられてもよい。あるいは、流体デバイス１０，１０Ａに供給される流体Ｓが流れを有する場合には、ポンプ３０が設けられなくてもよい。
（変形例５）
上記各実施形態の流体デバイス１０，１０Ａは、各構成を収容する筐体８０を備えるが、このような筐体８０を備えなくてもよい。
（変形例６）
上記各実施形態の分離モジュール５０には、流路２０の一部である分離流路２３が形成されるが、これに限られず、流路２０の全部が分離モジュール５０に形成されてもよい。
（変形例７）
上記各実施形態の流体デバイス１０，１０Ａにおいて、超音波送信部６０の構成は、上述したものに限定されない。
例えば、超音波送信部６０は、複数の振動部６２１を有してもよい。この場合、素子基板６１に対して複数の開口部６１１がアレイ状に設けられ、素子基板６１に設けられる振動膜６２のうちの各開口部６１１に重なる部分が、振動部６２１を構成してもよい。各振動部６２１に対して圧電素子６３が設けられることで、各振動部６２１から超音波が送信される。
また、超音波送信部６０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、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、所定駆動周波数の駆動信号Ｓｄが印加されることで振動を生じさせ、超音波を送信することができる。
（変形例８）
上記各実施形態では、流体Ｓの流通方向に直交する方向として、流路２０の幅方向に定在波ＳＷを発生させるが、流路２０の深さ方向に定在波ＳＷを発生させてもよい。
また、上記各実施形態の流体デバイス１０，１０Ａは、流路内に定在波ＳＷを形成することに限定されない。例えば、流体デバイス１０，１０Ａは、超音波による音響力を利用して所望の大きさの微粒子Ｍを操作するものであればよい。
［本開示のまとめ］
以下、本開示のまとめを付記する。
（付記１）
本開示に係る流体デバイスは、微粒子を含有する流体が流通する流路と、駆動信号の入力によって、前記流路内の前記流体に超音波を送信する超音波送信部と、前記流路における前記流体の流速を測定する流速測定部と、前記超音波送信部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記流速測定部により測定された流速である測定流速に応じて前記駆動信号の振幅を設定し、設定された振幅の前記駆動信号を前記超音波送信部に入力する。
このような構成では、超音波送信部から送信される超音波の音響力によって流体中の微粒子を操作し、当該微粒子を回収できる。また、測定流速に応じて駆動信号の振幅を調整することで、超音波の振幅を調整し、回収される微粒子の大きさを安定させることができる。
（付記２）
付記１に記載の流体デバイスにおいて、前記制御部は、前記超音波送信部が前記流体に超音波を送信する間、前記測定流速が基準流速よりも大きい場合、前記駆動信号の振幅を増加させ、記測定流速が前記基準流速よりも小さい場合、前記駆動信号の振幅を減少させることが好ましい。これにより、所望の大きさの微粒子を安定して回収することができる。
（付記３）
付記１または付記２に記載の流体デバイスにおいて、前記制御部は、前記微粒子の大きさと、前記測定流速とに基づいて、前記駆動信号の振幅を設定することが好ましい。これにより、所望の大きさの微粒子をより好適に回収できる。
（付記４）
付記１から付記３のいずれかに記載の流体デバイスは、前記超音波送信部が設けられ、かつ、前記流路の一部を含む分離モジュールと、前記流路に前記流体の流れを発生させるポンプと、をさらに備え、前記流速測定部は、前記流路における前記分離モジュールと前記ポンプとの間の前記流体の流速を測定してもよい。このような構成では、ポンプ、流速測定部および分離モジュールをそれぞれ別体として構成できるため、各構成の設置やメンテナンスが容易である。
（付記５）
付記１から付記３のいずれかに記載の流体デバイスでは、前記超音波送信部が設けられ、かつ、前記流路の少なくとも一部を含む分離モジュールをさらに備え、前記流速測定部は、前記分離モジュール内の前記流体の流速を測定してもよい。このような構成では、所望の大きさの微粒子を操作させるための駆動信号の振幅をより正確に設定することができる。
（付記６）
付記１から付記３のいずれかに記載の流体デバイスは、前記流路に前記流体の流れを発生させるポンプをさらに備え、前記流速測定部は、前記ポンプ内の前記流体の流速を測定してもよい。このような構成では、流量計が一体に構成された市販ポンプを好適に利用することができる。
（付記７）
付記１から付記６のいずれかに記載の流体デバイスにおいて、前記超音波送信部は、前記流路に設けられた振動部と、前記振動部に設けられ、前記振動部を撓み振動させることで前記流体に前記超音波を送信する圧電素子と、を有することが好ましい。これにより、超音波送信部から流体への超音波の伝搬効率が向上し、消費電力を抑制することができる。
（付記８）
付記１から付記７のいずれかに記載の流体デバイスにおいて、前記超音波送信部は、前記流体に超音波を送信することで、前記流体中に前記流体の流通方向に直交する方向に沿った定在波を発生させることが好ましい。これにより、定在波の節（または腹）に対して流体中の微粒子を集束させることができ、微粒子の回収をより好適に行うことができる。
（付記９）
付記１から付記８のいずれかに記載の流体デバイスは、前記流速測定部、前記超音波送信部および前記制御部を収容する筐体をさらに備え、前記筐体には、前記流体が前記流路に流入する流入口と、前記流路から前記流体が流出する１以上の排出口とが設けられることが好ましい。このような構成では、流体デバイスが一体的に構成され、流体デバイスの携帯性を向上できる。
（付記１０）
付記１から付記６のいずれかに記載の流体デバイスは、前記超音波により集束された前記微粒子を回収し、回収された前記微粒子を検査する検査モジュールをさらに備えてもよい。
（付記１１）
本開示に係る流体デバイスの制御方法は、微粒子を含有する流体が流通する流路と、駆動信号の入力によって、前記流路内の前記流体に超音波を送信する超音波送信部と、前記流路における前記流体の流速を測定する流速測定部と、を備える流体デバイスの制御方法であって、前記流速測定部により測定された流速である測定流速に応じて前記駆動信号の振幅を設定し、設定された振幅の前記駆動信号を前記超音波送信部に入力する。このような方法によれば、回収される微粒子の大きさを安定させることができる。
１０，１０Ａ…流体デバイス、２０…流路、２１…流入口、２２…連通流路、２３…分離流路、２３１…流入流路、２３２…流路本体、２３３…濃縮流路、２３４…排出流路、２３５…第１壁面、２３６…第２壁面、２４…濃縮出口、２５…排出口、３０…ポンプ、４０…流速測定部、５０…分離モジュール、６０…超音波送信部、６０Ａ…超音波送信面、６１…素子基板、６１１…開口部、６２…振動膜、６２１…振動部、６３…圧電素子、７０…制御部、７１…駆動回路、７２…プロセッサー、７２１…測定制御部、７２２…駆動制御部、７２３…検査制御部、７３…メモリー、８０…筐体、８１…表示部、９０…検査モジュール、ｆ…所定周波数、Ｌ…流路幅、Ｍ…微粒子、Ｓ…流体、Ｓｄ…駆動信号、ＳＷ…定在波、Ｖ…測定流速。

Claims (11)

  1. 微粒子を含有する流体が流通する流路と、
    駆動信号の入力によって、前記流路内の前記流体に超音波を送信する超音波送信部と、
    前記流路における前記流体の流速を測定する流速測定部と、
    前記超音波送信部を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記流速測定部により測定された流速である測定流速に応じて前記駆動信号の振幅を設定し、設定された振幅の前記駆動信号を前記超音波送信部に入力する、流体デバイス。
  2. 前記超音波送信部が前記流体に前記超音波を送信する間、前記制御部は、前記測定流速が基準流速よりも大きい場合、前記駆動信号の振幅を増加させ、前記測定流速が前記基準流速よりも小さい場合、前記駆動信号の振幅を減少させる、請求項１に記載の流体デバイス。
  3. 前記制御部は、捕捉対象である前記微粒子の大きさと、前記測定流速とに基づいて、前記駆動信号の振幅を設定する、請求項１に記載の流体デバイス。
  4. 前記流路の少なくとも一部を含み、かつ、前記超音波送信部が設けられた分離モジュールと、
    前記流路に前記流体の流れを発生させるポンプと、をさらに備え、
    前記流速測定部は、前記流路における前記分離モジュールと前記ポンプとの間の前記流体の流速を測定する、請求項１に記載の流体デバイス。
  5. 前記流路の少なくとも一部を含み、かつ、前記超音波送信部が設けられた分離モジュールをさらに備え、
    前記流速測定部は、前記分離モジュール内の前記流体の流速を測定する、請求項１に記載の流体デバイス。
  6. 前記流路に前記流体の流れを発生させるポンプをさらに備え、
    前記流速測定部は、前記ポンプ内の前記流体の流速を測定する、請求項１に記載の流体デバイス。
  7. 前記超音波送信部は、
    前記流路に設けられた振動部と、
    前記振動部に設けられ、前記振動部を撓み振動させることで前記流体に前記超音波を送信する圧電素子と、を有する、請求項１に記載の流体デバイス。
  8. 前記超音波送信部は、前記流体に前記超音波を送信することで、前記流体中に前記流体の流通方向に直交する方向に沿った定在波を発生させる、請求項１に記載の流体デバイス。
  9. 前記流速測定部、前記超音波送信部および前記制御部を収容する筐体をさらに備え、
    前記筐体には、前記流体が前記流路に流入する流入口と、前記流路から前記流体が流出する１以上の排出口とが設けられる、請求項１に記載の流体デバイス。
  10. 前記超音波により集束された前記微粒子を回収し、回収された前記微粒子を検査する検査モジュールをさらに備える、請求項１に記載の流体デバイス。
  11. 微粒子を含有する流体が流通する流路と、
    駆動信号の入力によって、前記流路内の前記流体に超音波を送信する超音波送信部と、
    前記流路における前記流体の流速を測定する流速測定部と、を備える流体デバイスの制御方法であって、
    前記流速測定部により測定された流速である測定流速に応じて前記駆動信号の振幅を設定し、設定された振幅の前記駆動信号を前記超音波送信部に入力する、流体デバイスの制御方法。
JP2022104948A 2022-06-29 2022-06-29 流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法 Pending JP2024004995A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022104948A JP2024004995A (ja) 2022-06-29 2022-06-29 流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法
CN202310771346.0A CN117298747A (zh) 2022-06-29 2023-06-27 流体装置以及流体装置的控制方法
US18/343,077 US20240003932A1 (en) 2022-06-29 2023-06-28 Fluid Device And Method For Controlling Fluid Device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022104948A JP2024004995A (ja) 2022-06-29 2022-06-29 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
JP2024004995A true JP2024004995A (ja) 2024-01-17

Family

ID=89261091

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022104948A Pending JP2024004995A (ja) 2022-06-29 2022-06-29 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) US20240003932A1 (ja)
JP (1) JP2024004995A (ja)
CN (1) CN117298747A (ja)

Also Published As

Publication number Publication date
US20240003932A1 (en) 2024-01-04
CN117298747A (zh) 2023-12-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1688735B1 (en) A reactor, a microchip and a micro reactor system as well as a method for manufacturing the reactor
US10393704B2 (en) Multi-frequency BAW mixing and sensing system and method
US20070119239A1 (en) Method and apparatus for determination of the concentration of particles in multi-component fluid systems
Chen et al. Highly accurate airflow volumetric flowmeters via pMUTs arrays based on transit time
Lamprecht et al. Imaging the position-dependent 3D force on microbeads subjected to acoustic radiation forces and streaming
KR100741262B1 (ko) 마이크로 점도계
Perçin et al. Piezoelectrically actuated flextensional micromachined ultrasound transducers. I. Theory
Gao et al. A miniaturized transit-time ultrasonic flowmeter based on ScAlN piezoelectric micromachined ultrasonic transducers for small-diameter applications
JP4520873B2 (ja) 解離定数測定装置、解離定数測定方法、及び解離定数測定プログラム
JP2024004995A (ja) 流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法
JP4616123B2 (ja) 分析用マイクロセンサ
JP2007093266A (ja) マイクロリアクター及びマイクロリアクターシステム
US11879882B2 (en) Sensor for determining a measurand and method for determining a measurand with a sensor
KR20130122457A (ko) 혈액 분리를 위한 칩을 구비한 진단 기구
JP4223997B2 (ja) 分析用マイクロセンサ
KR101265236B1 (ko) 음파 감쇠를 이용한 마이크로 점도계 및 이를 생산하기 위한 제조방법
WO2015020611A1 (en) A multi-mode mems aerosol detecting device
US11745177B2 (en) Ultrasound lysing of whole blood
JP2006208284A (ja) 微量質量センサ搭載チップ及び微量質量分析システム、並びに微量質量センサ搭載チップの分析方法
JP2024005405A (ja) 流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法
KR20170129354A (ko) 멤브레인의 기계적 공진 특성을 이용한 컨덴서형 멤브레인 센서용 측정 장치 및 방법
JP6471084B2 (ja) 感知センサ
US20240201070A1 (en) Photoacoustic gas sensor, and method for producing same
JP2023105927A (ja) 流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法
CN116459880A (zh) 流体设备以及流体设备的控制方法