JP2024005405A - Fluid device and method for controlling fluid device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fluid device that can measure the flow rate of fluid, and a method for controlling a fluid device.
SOLUTION: A fluid device comprises: a flow channel 20 through which fluid flows; an ultrasonic wave element array 30 that is provided on the flow channel 20 and includes a plurality of ultrasonic wave elements 33 arranged in array; a drive control unit that controls the drive of the plurality of ultrasonic wave elements 33; and a flow rate measurement unit that measures the flow rate of the fluid. The drive control unit causes a first ultrasonic wave element 33A and a second ultrasonic wave element 33B in the ultrasonic wave element array 30, which are arranged at positions different from each other in a flowing direction of the fluid, to transmit and receive ultrasonic waves to and from each other through the fluid. The flow rate measurement unit measures the flow rate based on a difference between a first ultrasonic wave propagation time from the first ultrasonic wave element 33A to the second ultrasonic wave element 33B and a second ultrasonic wave propagation time from the second ultrasonic wave element 33B to the first ultrasonic wave element 33A.
SELECTED DRAWING: Figure 2
COPYRIGHT: (C)2024,JPO&INPIT

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。 The present invention relates to a fluidic device and a method of controlling a fluidic device.

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、基板に設けられた超音波素子とを備えている。超音波素子から送信された超音波は、基板を介して流路内に伝搬され、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。 2. Description of the Related Art Conventionally, devices are known that separate fine particles dispersed in a fluid from the fluid. For example, the fluidic device disclosed in Patent Document 1 includes a substrate in which a flow path is formed and an ultrasonic element provided on the substrate. Ultrasonic waves transmitted from the ultrasonic element are propagated into the flow channel through the substrate and generate standing waves in the fluid within the flow channel. The particles in the fluid are focused in a predetermined range within the flow path due to the pressure gradient of the fluid formed by the standing waves, and a concentrated liquid containing the focused particles is collected.

国際公開第2005/058459号International Publication No. 2005/058459

上記特許文献1に記載したような流体デバイスでは、微粒子に対する音響力を適切に設定するために、音響力の発生領域における流体の流速情報を取得することが望ましい。しかし、従来の流量計を流体デバイスに設ける場合、流体デバイスの全体が大型化するという問題がある。 In a fluid device such as that described in Patent Document 1, in order to appropriately set acoustic force on particles, it is desirable to acquire fluid flow velocity information in an acoustic force generation region. However, when a conventional flow meter is provided in a fluid device, there is a problem in that the entire fluid device becomes larger.

本開示の第1態様に係る流体デバイスは、流体が流通する流路と、前記流路に設けられ、アレイ状に配置される複数の超音波素子を含む超音波素子群と、前記複数の超音波素子の駆動を制御する駆動制御部と、前記流体の流速を測定する流速測定部と、を備え、前記駆動制御部は、前記超音波素子群のうち前記流体の流通方向において互いに異なる位置に配置される任意の第1超音波素子と第2超音波素子との間で、前記流体を介して超音波を互いに送受信させ、前記流速測定部は、前記第1超音波素子から前記第2超音波素子までの第1超音波伝搬時間と、前記第2超音波素子から前記第1超音波素子までの第2超音波伝搬時間との差に基づいて前記流速を測定する。 A fluidic device according to a first aspect of the present disclosure includes: a flow path through which a fluid flows; an ultrasonic element group including a plurality of ultrasonic elements provided in the flow path and arranged in an array; The drive control unit includes a drive control unit that controls the drive of the ultrasonic element, and a flow velocity measurement unit that measures the flow velocity of the fluid, and the drive control unit is located at different positions in the flow direction of the fluid among the group of ultrasonic elements. The flow rate measurement unit transmits and receives ultrasonic waves from the first ultrasonic element to the second ultrasonic element through the fluid between any first ultrasonic element and second ultrasonic element arranged. The flow velocity is measured based on a difference between a first ultrasonic propagation time to the sonic element and a second ultrasonic propagation time from the second ultrasonic element to the first ultrasonic element.

本開示の第2態様に係る流体デバイスの制御方法は、流速を測定する流体デバイスの制御方法であって、前記流体デバイスは、流体が流通する流路と、前記流路に設けられ、アレイ状に配置される複数の超音波素子を含む超音波素子群と、前記複数の超音波素子の駆動を制御する駆動制御部と、前記流体の流速を測定する流速測定部と、を備え、前記駆動制御部が、前記超音波素子群のうち前記流体の流通方向において互いに異なる位置に配置される任意の第1超音波素子と第2超音波素子との間で、前記流体を介して超音波を互いに送受信させるステップと、前記流速測定部が、前記第1超音波素子から前記第2超音波素子までの第1超音波伝搬時間と、前記第2超音波素子から前記第1超音波素子までの第2超音波伝搬時間との差に基づいて前記流速を測定するステップとを含む。 A fluid device control method according to a second aspect of the present disclosure is a fluid device control method that measures a flow rate, and the fluid device includes a flow path through which a fluid flows, and an array of the fluid devices provided in the flow path. an ultrasonic element group including a plurality of ultrasonic elements disposed in the ultrasonic element group, a drive control section that controls driving of the plurality of ultrasonic elements, and a flow velocity measurement section that measures the flow velocity of the fluid, The control unit transmits ultrasound through the fluid between arbitrary first and second ultrasound elements that are arranged at different positions in the flow direction of the fluid among the ultrasound element group. transmitting and receiving signals to and from each other, and the flow rate measurement unit detecting a first ultrasonic propagation time from the first ultrasonic element to the second ultrasonic element and a time from the second ultrasonic element to the first ultrasonic element. and measuring the flow velocity based on a difference from a second ultrasound propagation time.

第1実施形態の流体デバイスを示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing a fluid device according to a first embodiment. 第1実施形態の流体デバイスにおける流路を模式的に示す断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a flow path in the fluid device of the first embodiment. 第1実施形態の流体デバイスにおける超音波素子アレイを示す平面図。FIG. 2 is a plan view showing an ultrasonic element array in the fluidic device of the first embodiment. 図3のA-A線矢視断面図。FIG. 4 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 3. 第1実施形態の流速測定方法を説明するためのフローチャート。1 is a flowchart for explaining the flow velocity measurement method of the first embodiment. 第1実施形態の流速測定方法を説明するために流路を模式的に示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a flow path for explaining the flow rate measurement method of the first embodiment. 第1実施形態の流体デバイスの制御方法の一例を説明するためのフローチャート。1 is a flowchart for explaining an example of a method for controlling a fluidic device according to the first embodiment. 第2実施形態の流体デバイスにおける流路を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a flow path in a fluid device according to a second embodiment. 第3実施形態の流体デバイスを示すブロック図。FIG. 7 is a block diagram showing a fluid device according to a third embodiment.

[第1実施形態]
第1実施形態の流体デバイス10について説明する。
(流体デバイス10の構成)
図1および図2に示すように、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に設けられる超音波素子アレイ30(超音波素子群に対応)と、超音波素子アレイ30を制御する制御部40と、を備える。
[First embodiment]
The fluid device 10 of the first embodiment will be described.
(Configuration of fluid device 10)
As shown in FIGS. 1 and 2, the fluidic device 10 includes a flow path 20 through which a fluid S containing particles M flows, and an ultrasonic element array 30 (corresponding to a group of ultrasonic elements) provided in the flow path 20. , and a control unit 40 that controls the ultrasonic element array 30.

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である濃縮液Scを回収可能にする。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、測定された流速に基づいて超音波の出力を設定または調整する。
なお、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。また、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。
The fluid device 10 of the present embodiment makes it possible to collect the concentrated liquid Sc, which is the fluid S in which the particles M are concentrated, by capturing the particles M in the fluid S flowing through the flow path 20 using ultrasound. Further, the fluid device 10 of this embodiment measures the flow rate of the fluid S flowing through the flow path 20, and sets or adjusts the output of the ultrasonic wave based on the measured flow rate.
Note that the fluid S is not particularly limited, but may be any liquid such as water or blood. The fine particles M are, for example, fine fibers or cells, although they are not particularly limited. Furthermore, in FIG. 2, for the sake of simplicity, it is assumed that the plurality of particles M have the same size, but particles M of various sizes are dispersed in the fluid S.

図2に示すように、流路20は、微粒子Mが分散した流体Sが流入する流入口21と、超音波により定在波SWが形成される流路本体22と、定在波SWにより捕捉された微粒子Mを含む流体S(すなわち濃縮液Sc)を選択的に排出する濃縮出口23と、濃縮液Sc以外の流体Srを選択的に排出する排出口24と、を有する。
この流路20は、例えば流路基板25に形成される。流路基板25は、流路20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。これら基板としては、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、流路本体22は、流体Sの流通方向に直交する任意の流路幅方向において互いに対向する第1流路壁221および第2流路壁222を有しており、第1流路壁221には、超音波素子アレイ30が設けられる。
なお、以下では、流路20における流体Sの流通方向をX方向とし、第1流路壁221から第2流路壁222に向かう方向をY方向とし、X方向およびY方向のそれぞれに直交する方向をZ方向とする。第1流路壁221と第2流路壁222との間の流路幅rは、既知の値とする。
As shown in FIG. 2, the flow path 20 includes an inlet 21 into which a fluid S in which fine particles M are dispersed flows, a flow path body 22 in which a standing wave SW is formed by ultrasonic waves, and a flow path body 22 in which a standing wave SW is formed by ultrasonic waves. It has a concentration outlet 23 for selectively discharging the fluid S (ie, the concentrate Sc) containing the concentrated particles M, and a discharge port 24 for selectively discharging the fluid Sr other than the concentrate Sc.
This channel 20 is formed, for example, in a channel substrate 25. The channel substrate 25 includes a base substrate having a groove corresponding to the channel 20 and a lid substrate covering the groove. Although these substrates are not particularly limited, for example, glass substrates and silicon substrates can be used.
Further, the channel main body 22 has a first channel wall 221 and a second channel wall 222 that face each other in an arbitrary channel width direction orthogonal to the flow direction of the fluid S. At 221, an ultrasonic element array 30 is provided.
Note that in the following, the flow direction of the fluid S in the flow path 20 is referred to as the X direction, and the direction from the first flow path wall 221 to the second flow path wall 222 is referred to as the Y direction, which is orthogonal to each of the X direction and the Y direction. Let the direction be the Z direction. The channel width r between the first channel wall 221 and the second channel wall 222 is a known value.

超音波素子アレイ30は、流路20の第1流路壁221の一部を構成しており、流路本体22内の流体Sに面する。この超音波素子アレイ30は、アレイ状に配置される複数の超音波素子33を含む。 The ultrasonic element array 30 constitutes a part of the first channel wall 221 of the channel 20 and faces the fluid S in the channel body 22. This ultrasonic element array 30 includes a plurality of ultrasonic elements 33 arranged in an array.

超音波素子アレイ30の具体的構成について、以下に簡単に説明する。超音波素子アレイ30は、図3に示すように、XZ平面に沿って配置される素子基板31と、素子基板31に設けられた複数の圧電素子32とによって、複数の超音波素子33を含むように構成される。 The specific configuration of the ultrasonic element array 30 will be briefly described below. As shown in FIG. 3, the ultrasonic element array 30 includes a plurality of ultrasonic elements 33 by an element substrate 31 arranged along the XZ plane and a plurality of piezoelectric elements 32 provided on the element substrate 31. It is configured as follows.

図4に示すように、素子基板31は、基板本体部311と、基板本体部311に設けられた振動膜312と、を備える。基板本体部311には、XZ平面において2次元配列される複数の開口部311Aが設けられており、振動膜312は、素子基板31の各開口部311Aを覆っている。開口部311Aには音響層が設けられてもよい。振動膜312のうち、平面視で開口部311Aと重なる部分は、超音波の送信を行う振動部312Aを構成する。 As shown in FIG. 4, the element substrate 31 includes a substrate main body 311 and a vibrating membrane 312 provided on the substrate main body 311. The substrate body 311 is provided with a plurality of openings 311A arranged two-dimensionally in the XZ plane, and the vibrating membrane 312 covers each opening 311A of the element substrate 31. An acoustic layer may be provided in the opening 311A. A portion of the vibrating membrane 312 that overlaps with the opening 311A in plan view constitutes a vibrating section 312A that transmits ultrasonic waves.

圧電素子32は、各振動部312Aと重なる位置に設けられている。この圧電素子32は、第1電極321、圧電膜322および第2電極323が振動膜312上に順に積層されることにより構成されている。
図3に示すように、第1電極321は、Z方向に沿った直線状に形成され、両端部の電極端子321Pを介して制御部40に接続される。第2電極323は、X方向に沿った直線状に形成され、共通電極線324に接続される。共通電極線324は、両端部の電極端子324Pを介して制御部40に接続される。圧電膜322は、例えばPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)等の圧電体の薄膜により形成されている。
The piezoelectric element 32 is provided at a position overlapping each vibrating section 312A. This piezoelectric element 32 is constructed by laminating a first electrode 321, a piezoelectric film 322, and a second electrode 323 on a vibrating membrane 312 in this order.
As shown in FIG. 3, the first electrode 321 is formed in a straight line along the Z direction, and is connected to the control unit 40 via electrode terminals 321P at both ends. The second electrode 323 is formed in a straight line along the X direction, and is connected to the common electrode line 324. The common electrode line 324 is connected to the control unit 40 via electrode terminals 324P at both ends. The piezoelectric film 322 is formed of a thin film of piezoelectric material such as PZT (lead zirconate titanate).

超音波素子アレイ30における超音波素子33は、振動部312Aと、当該振動部312A上に設けられた圧電素子32とによって構成される。超音波素子33では、圧電素子32に駆動信号が入力されると、圧電素子32の圧電膜322が伸縮することにより、振動部312Aが素子基板31の厚み方向に撓み振動する。振動部312Aの撓み振動が流体Sの粗密波に変換されることで、超音波素子33から流体Sへの超音波の伝搬が行われる。
なお、本実施形態において、Z方向に並んだ複数の超音波素子33は、1チャネルの素子列CHを構成するものとする。
The ultrasonic elements 33 in the ultrasonic element array 30 include a vibrating section 312A and a piezoelectric element 32 provided on the vibrating section 312A. In the ultrasonic element 33, when a drive signal is input to the piezoelectric element 32, the piezoelectric film 322 of the piezoelectric element 32 expands and contracts, so that the vibrating part 312A bends and vibrates in the thickness direction of the element substrate 31. The bending vibration of the vibrating portion 312A is converted into a compressional wave of the fluid S, so that the ultrasonic wave is propagated from the ultrasonic element 33 to the fluid S.
In this embodiment, the plurality of ultrasonic elements 33 arranged in the Z direction constitute a one-channel element row CH.

以上説明した超音波素子アレイ30では、複数の超音波素子33が互いに同一の構成を有するが、制御部40により制御される動作の違いによって、第1超音波素子33A、第2超音波素子33B、および、定在波発生素子33Cに分けられる。第1超音波素子33Aおよび第2超音波素子33Bは、超音波式の流速測定を行うために超音波を送受信し、定在波発生素子33Cは、流体Sに定在波SWを形成するために超音波を送信する。
ここで、図2に示すように、第1超音波素子33Aは、超音波素子アレイ30におけるX方向の一方側の端部(上流側の端部)に配置され、第2超音波素子33Bは、超音波素子アレイ30におけるX方向の他方側の端部(下流側の端部)に配置される。第1超音波素子33Aと第2超音波素子33Bとの間には、X方向に並んだ複数の定在波発生素子33Cが配置される。なお、第1超音波素子33Aと第2超音波素子33Bとの間のX方向の素子間距離d(図6参照)は既知である。
以下、第1超音波素子33Aによる素子列CHを素子列CH-A、第2超音波素子33Bによる素子列CHを素子列CH-B、定在波発生素子33Cによる素子列CHを素子列CH-Cと記載する場合がある(図1参照)。
In the ultrasonic element array 30 described above, the plurality of ultrasonic elements 33 have the same configuration, but the first ultrasonic element 33A and the second ultrasonic element 33B differ in operation controlled by the control unit 40. , and a standing wave generating element 33C. The first ultrasonic element 33A and the second ultrasonic element 33B transmit and receive ultrasonic waves to perform ultrasonic flow velocity measurement, and the standing wave generating element 33C forms a standing wave SW in the fluid S. Send ultrasound to.
Here, as shown in FIG. 2, the first ultrasonic element 33A is arranged at one end (upstream end) in the X direction of the ultrasonic element array 30, and the second ultrasonic element 33B is , are arranged at the other end (downstream end) of the ultrasonic element array 30 in the X direction. A plurality of standing wave generating elements 33C arranged in the X direction are arranged between the first ultrasonic element 33A and the second ultrasonic element 33B. Note that the inter-element distance d in the X direction between the first ultrasonic element 33A and the second ultrasonic element 33B (see FIG. 6) is known.
Hereinafter, the element row CH by the first ultrasonic element 33A is element row CH-A, the element row CH by the second ultrasonic element 33B is element row CH-B, and the element row CH by the standing wave generating element 33C is element row CH. -C may be written (see Figure 1).

制御部40は、図1に示すように、超音波素子アレイ30の駆動等を行う回路部41と、各種制御を行うプロセッサー42と、メモリー43と、を備える。また、図示を省略するが、制御部40は、超音波素子アレイ30に対するグラウンド回路を含んでもよい。 As shown in FIG. 1, the control unit 40 includes a circuit unit 41 that drives the ultrasonic element array 30, a processor 42 that performs various controls, and a memory 43. Further, although not shown, the control unit 40 may include a ground circuit for the ultrasonic element array 30.

回路部41は、選択回路411、送信回路412、受信回路413、TOF算出回路414および駆動回路415を含む。
選択回路411は、後述の駆動制御部421の制御に基づいて、送信回路412と受信回路413との接続を切り替える。また、選択回路411は、第1超音波素子33A(素子列CH-A)または第2超音波素子33B(素子列CH-B)を、送信回路412または受信回路413に接続可能である。
The circuit section 41 includes a selection circuit 411, a transmission circuit 412, a reception circuit 413, a TOF calculation circuit 414, and a drive circuit 415.
The selection circuit 411 switches the connection between the transmitting circuit 412 and the receiving circuit 413 based on the control of a drive control section 421, which will be described later. Further, the selection circuit 411 can connect the first ultrasonic element 33A (element column CH-A) or the second ultrasonic element 33B (element column CH-B) to the transmitting circuit 412 or the receiving circuit 413.

送信回路412は、選択回路411を介して、第1超音波素子33A(素子列CH-A)または第2超音波素子33B(素子列CH-B)に対して駆動信号を出力することで、第1超音波素子33Aまたは第2超音波素子33Bから超音波を送信させる。 The transmitting circuit 412 outputs a drive signal to the first ultrasonic element 33A (element column CH-A) or the second ultrasonic element 33B (element column CH-B) via the selection circuit 411. Ultrasonic waves are transmitted from the first ultrasonic element 33A or the second ultrasonic element 33B.

受信回路413は、選択回路411を介して第1超音波素子33Aまたは第2超音波素子33Bから入力された受信信号に対し、デジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号レベルへの増幅等の各信号処理を施す。また、受信回路413は、信号処理された受信信号をTOF算出回路414に出力する。 The receiving circuit 413 converts the received signal input from the first ultrasonic element 33A or the second ultrasonic element 33B via the selection circuit 411 into a digital signal, removes noise components, and amplifies it to a desired signal level. Perform various signal processing such as Further, the receiving circuit 413 outputs the signal-processed received signal to the TOF calculation circuit 414.

TOF算出回路414は、送信回路412からの駆動信号の出力に同期して入力されるタイミング信号と、受信回路413から入力される受信信号との時間差に基づいて、流路20における超音波の飛行時間(TOF値)を算出する。 The TOF calculation circuit 414 determines the flight of the ultrasonic wave in the flow path 20 based on the time difference between the timing signal input in synchronization with the output of the drive signal from the transmission circuit 412 and the reception signal input from the reception circuit 413. Calculate the time (TOF value).

駆動回路415は、定在波発生素子33Cに対して、定在波SWを発生させるための所定周波数fの駆動信号を出力する。これにより、定在波発生素子33Cから所定周波数fの超音波が送信される。なお、駆動信号の振幅(駆動電圧Vd)は、定在波発生素子33Cから送信される超音波の振幅に対応する。 The drive circuit 415 outputs a drive signal of a predetermined frequency f for generating a standing wave SW to the standing wave generating element 33C. As a result, an ultrasonic wave having a predetermined frequency f is transmitted from the standing wave generating element 33C. Note that the amplitude of the drive signal (drive voltage Vd) corresponds to the amplitude of the ultrasonic wave transmitted from the standing wave generation element 33C.

プロセッサー42は、メモリー43に記憶されたプログラムを実行することで、駆動制御部421および流速測定部422として機能する。駆動制御部421は、超音波素子アレイ30における各超音波素子33の駆動を制御する。流速測定部422は、TOF算出回路414によるTOF値の算出結果に基づいて流速を測定する(すなわち流速Vを算出する)。駆動制御部421および流速測定部422の詳細については後述する。 The processor 42 functions as a drive control section 421 and a flow rate measurement section 422 by executing a program stored in the memory 43. The drive control unit 421 controls the drive of each ultrasonic element 33 in the ultrasonic element array 30. The flow rate measurement unit 422 measures the flow rate (that is, calculates the flow rate V) based on the TOF value calculation result by the TOF calculation circuit 414. Details of the drive control section 421 and the flow rate measurement section 422 will be described later.

メモリー43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43には、流速測定部422での演算に必要とされる情報として、流路20の流路幅r、流体中の音速C、および、素子間距離dなどが記憶されている。また、メモリー43には、流体S中の微粒子Mを捕捉するための情報として、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の大きさごとに記憶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。 The memory 43 is a storage device that stores various programs and various data. For example, the memory 43 stores the flow path width r of the flow path 20, the sound speed C in the fluid, the inter-element distance d, and the like as information required for the calculation in the flow velocity measuring section 422. Further, the memory 43 stores, as information for capturing the particulates M in the fluid S, a drive table or a calculation coefficient indicating the correspondence between the flow velocity V and the drive voltage Vd. It is preferable that the drive table or calculation coefficient is stored for each size of the particle M to be captured. Note that the size of the fine particles M may be divided into arbitrary numerical ranges such as the size and volume of the fine particles M.

(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。
定在波発生素子33C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)に向かって進む超音波が、第1流路壁221と第2流路壁222との間で反射を繰り返すことで、流路本体22内に定在波SWを発生させる。
ここで、定在波発生素子33Cから送信される超音波の周波数をf1、定在波SWのモード次数をn、流体S中の音速をC、流路20のY方向の流路幅をr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 2024005405000002
(Control mechanism of fluidic device)
In the fluidic device 10 of this embodiment, a mechanism for concentrating particulates M in the fluid S will be described.
The ultrasonic waves transmitted from the standing wave generating element 33C are radially diffused into the fluid S as spherical waves. By repeating the reflection between the flow path wall 222 and the second flow path wall 222, a standing wave SW is generated within the flow path main body 22.
Here, the frequency of the ultrasonic wave transmitted from the standing wave generation element 33C is f1, the mode order of the standing wave SW is n, the sound speed in the fluid S is C, and the width of the flow path 20 in the Y direction is r. When the following equation (1) is satisfied, a standing wave SW is formed.
Figure 2024005405000002

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22の流路幅方向の中央部に節が現れ、流路本体22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22内を流通する過程で、定在波SWの節、すなわち流路本体22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Sc)は、濃縮出口23から排出され、それ以外の流体は、排出口24から排出される。すなわち、濃縮液Scが分離される。
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。
As shown in FIG. 2, when a first-order mode standing wave SW occurs, nodes appear at the center of the channel body 22 in the channel width direction, and nodes appear at both ends of the channel body 22 in the channel width direction. A belly appears. In this case, the particles M having a higher acoustic impedance than the fluid S reach the nodes of the standing wave SW, that is, the central part of the channel body 22 in the channel width direction, while the fluid S flows through the channel body 22. Focus (acoustic focus). Then, the fluid S (concentrated liquid Sc) containing the focused particles M is discharged from the concentration outlet 23, and the other fluids are discharged from the discharge port 24. That is, the concentrated liquid Sc is separated.
In addition, in this embodiment, in order to simplify the explanation, an example in which a first-order mode standing wave SW is generated is used, but the mode order of the standing wave SW is not particularly limited.

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M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M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、駆動信号の振幅(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の大きさの範囲が変化する。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(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。
Here, the capturing force of the particle M by the fluid device 10 determines the lower limit of the size of the particle M that can be captured by acoustic focusing, and the larger the capturing force is, the smaller the particle M can be captured. Become.
The ability of the fluidic device 10 to capture the particles M depends on the amplitude of the drive signal (that is, the drive voltage Vd) and the flow rate of the fluid S. If the drive voltage Vd is adjusted at a predetermined flow rate so that particles M of a desired size can be captured, if the flow rate changes due to fluctuations in pump output, etc., the range of sizes of particles M that can be captured will change. Change. For example, when the flow speed becomes faster, the fluid S passes through the formation range of the standing wave SW before particles M of a desired size are sufficiently focused, making it difficult to sufficiently capture particles M of a desired size. I can't. On the other hand, when the flow velocity becomes slower, while the fluid S passes through the formation range of the standing wave SW, not only the particles M of the desired size but also smaller particles M are focused, and the particles M that can be captured are The accuracy of the magnitude of is reduced.
Therefore, in this embodiment, the flow rate of the fluid S is measured as described later, and the drive voltage Vd is adjusted according to the measured flow rate (flow rate V), thereby stably producing particles M of a desired size. Make it captureable.

(流速測定方法)
本実施形態の流体デバイス10における流速測定方法について、図5のフローチャートを用いて説明する。なお、本実施形態の駆動制御部421は、流速測定を行う際、測定モードに切り替わる。
(Flow velocity measurement method)
A flow rate measuring method in the fluid device 10 of this embodiment will be explained using the flowchart of FIG. 5. Note that the drive control unit 421 of this embodiment switches to the measurement mode when measuring the flow velocity.

まず、駆動制御部421の制御により、第1超音波素子33Aから第2超音波素子33BまでのTOF値である往路伝搬時間Tab(第1超音波伝搬時間)を測定する(ステップS11)。
具体的には、選択回路411が第1超音波素子33A(素子列CH-A)と送信回路412との間を接続し、かつ、第2超音波素子33Bと受信回路413との間を接続する。そして、送信回路412が第1超音波素子33Aに対して所定時間だけ駆動信号を出力する。
これにより、第1超音波素子33Aから送信された超音波(バースト波)は、流路20中の流体Sの流れ(X方向の流れ)に乗って進むことで、第2流路壁222で反射した後に第2超音波素子33Bで受信される(図6の実線矢印を参照)。TOF算出回路414は、第2超音波素子33Bから選択回路411および受信回路413を介して入力される受信信号に基づいて、往路伝搬時間Tabを算出する。
First, under the control of the drive control unit 421, the forward propagation time Tab (first ultrasonic propagation time), which is the TOF value from the first ultrasonic element 33A to the second ultrasonic element 33B, is measured (step S11).
Specifically, the selection circuit 411 connects the first ultrasonic element 33A (element row CH-A) and the transmitting circuit 412, and connects the second ultrasonic element 33B and the receiving circuit 413. do. Then, the transmitting circuit 412 outputs a drive signal to the first ultrasonic element 33A for a predetermined period of time.
As a result, the ultrasonic waves (burst waves) transmitted from the first ultrasonic element 33A travel along the flow of the fluid S (flow in the X direction) in the flow path 20, thereby reaching the second flow path wall 222. After being reflected, it is received by the second ultrasonic element 33B (see the solid line arrow in FIG. 6). The TOF calculation circuit 414 calculates the outward propagation time Tab based on the received signal input from the second ultrasonic element 33B via the selection circuit 411 and the reception circuit 413.

次に、駆動制御部421の制御により、第2超音波素子33Bから第1超音波素子33AまでのTOF値である復路伝搬時間Tba(第2超音波伝搬時間)を測定する(ステップS12)。
具体的には、選択回路411が第2超音波素子33B(素子列CH-B)と送信回路412との間を接続し、かつ、第1超音波素子33Aと受信回路413との間を接続する。そして、送信回路412が第2超音波素子33Bに対して所定時間だけ駆動信号を出力する。
これにより、第2超音波素子33Bから送信された超音波(バースト波)は、流路20中の流体Sの流れに逆らって進むことで、第2流路壁222で反射した後に第1超音波素子33Aで受信される(図6の点線矢印を参照)。TOF算出回路414は、第1超音波素子33Aから選択回路411および受信回路413を介して入力される受信信号に基づいて、復路伝搬時間Tbaを算出する。
なお、測定モードで使用される駆動電圧Vdや超音波の周波数は、特に限定されない。
Next, under the control of the drive control unit 421, the return propagation time Tba (second ultrasonic propagation time), which is the TOF value from the second ultrasonic element 33B to the first ultrasonic element 33A, is measured (step S12).
Specifically, the selection circuit 411 connects the second ultrasonic element 33B (element row CH-B) and the transmitting circuit 412, and connects the first ultrasonic element 33A and the receiving circuit 413. do. Then, the transmission circuit 412 outputs a drive signal to the second ultrasonic element 33B for a predetermined period of time.
As a result, the ultrasonic wave (burst wave) transmitted from the second ultrasonic element 33B travels against the flow of the fluid S in the flow path 20, and after being reflected by the second flow path wall 222, the ultrasonic wave (burst wave) is transmitted to the first ultrasonic wave. The signal is received by the acoustic wave element 33A (see the dotted arrow in FIG. 6). The TOF calculation circuit 414 calculates the backward propagation time Tba based on the received signal input from the first ultrasonic element 33A via the selection circuit 411 and the reception circuit 413.
Note that the driving voltage Vd and the frequency of the ultrasonic waves used in the measurement mode are not particularly limited.

その後、流速測定部422は、ステップS11で求められた往路伝搬時間Tabと、ステップS12で求められた復路伝搬時間Tbaとの時間差に基づいて、流速Vを算出する(ステップS13)。なお、この時間差とは、逆数差であってもよい。 Thereafter, the flow velocity measuring unit 422 calculates the flow velocity V based on the time difference between the outward propagation time Tab obtained in step S11 and the backward propagation time Tba obtained in step S12 (step S13). Note that this time difference may be a reciprocal difference.

具体的には、ステップS11で求められる往路伝搬時間Tabと、ステップS12で求められる復路伝搬時間Tbaとの間には、流体Sの流速に応じた時間差が生じる。
例えば、往路伝搬時間Tab、復路伝搬時間Tbaは、それぞれ以下の式(2),(3)によって表される。ここで、図6に示すように、L(=L/2+L/2)は超音波伝搬距離であり、Cは音速であり、Vは流速、θは流路軸と超音波伝搬軸との角度である。

Figure 2024005405000003
Figure 2024005405000004
往路伝搬時間Tabと復路伝搬時間Tbaとの逆数差は、以下の式(4)で表されるため、流速Vは、以下の式(5)によって表される。
Figure 2024005405000005
Figure 2024005405000006
Specifically, there is a time difference depending on the flow velocity of the fluid S between the forward travel time Tab determined in step S11 and the backward travel time Tba determined in step S12.
For example, the outward propagation time Tab and the return propagation time Tba are expressed by the following equations (2) and (3), respectively. Here, as shown in Figure 6, L (=L/2+L/2) is the ultrasonic propagation distance, C is the sound velocity, V is the flow velocity, and θ is the angle between the channel axis and the ultrasonic propagation axis. It is.
Figure 2024005405000003
Figure 2024005405000004
Since the reciprocal difference between the forward propagation time Tab and the backward propagation time Tba is expressed by the following equation (4), the flow velocity V is expressed by the following equation (5).
Figure 2024005405000005
Figure 2024005405000006

また、図6に示すように、上記式(5)におけるcosθは、以下の式(6)によって表され、超音波伝搬距離Lは、以下の式(7)によって表される。ここで、流路20の流路幅をrとし、流路軸における第1超音波素子33Aと第2超音波素子33Bとの間の距離をdとする。

Figure 2024005405000007
Figure 2024005405000008
よって、上記式(5)~(7)によれば、流速Vは、以下の式(8)によって表される。
Figure 2024005405000009
以上により、流速測定部422は、上記式(8)を用いて、往路伝搬時間Tabと復路伝搬時間Tbaとの時間差に基づいた流速Vを算出することができる。 Further, as shown in FIG. 6, cos θ in the above equation (5) is expressed by the following equation (6), and the ultrasonic propagation distance L is expressed by the following equation (7). Here, the channel width of the channel 20 is defined as r, and the distance between the first ultrasonic element 33A and the second ultrasonic element 33B on the channel axis is defined as d.
Figure 2024005405000007
Figure 2024005405000008
Therefore, according to the above equations (5) to (7), the flow velocity V is expressed by the following equation (8).
Figure 2024005405000009
As described above, the flow velocity measurement unit 422 can calculate the flow velocity V based on the time difference between the outward propagation time Tab and the return propagation time Tba using the above equation (8).

(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7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を発生させ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。
(Fluid device control method)
An example of a method of controlling the fluid device 10 of this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. 7. Note that before the flowchart starts, the size of the particles M to be captured may be set to a predetermined size in advance, or may be set according to the user's operation. Furthermore, in this embodiment, for the sake of simplicity of explanation, it is assumed that a predetermined frequency f for generating the standing wave SW is determined in advance.

まず、流体デバイス10は、使用者の開始操作や、流体Sの流通開始などに応じて、流体Sの流速測定を行う(ステップS21)。これにより、現在の流体Sの流速が測定される。なお、具体的な流速測定方法は、上述で説明した通りである。また、ステップS21で測定された流速Vの値は、基準流速Vsとしてメモリー43に記憶される。 First, the fluid device 10 measures the flow velocity of the fluid S in response to a user's starting operation or the start of the flow of the fluid S (step S21). Thereby, the current flow velocity of the fluid S is measured. Note that the specific flow rate measurement method is as described above. Further, the value of the flow velocity V measured in step S21 is stored in the memory 43 as the reference flow velocity Vs.

次いで、駆動制御部421は、ステップS21で測定された流速Vに応じて、駆動回路415が出力する駆動信号の振幅(駆動電圧Vd)を設定する(ステップS22)。これにより、定在波発生素子33C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421は、メモリー43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S21で測定された流速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415に設定する。
Next, the drive control unit 421 sets the amplitude (drive voltage Vd) of the drive signal output by the drive circuit 415 according to the flow velocity V measured in step S21 (step S22). Thereby, the amplitude of the ultrasonic wave transmitted from the standing wave generating element 33C is set.
For example, the drive control unit 421 specifies a drive table or calculation coefficient corresponding to the size of the particle M to be captured from the memory 43, and based on the specified drive table or calculation coefficient, the flow rate measured in step S21 is determined. The value of the drive voltage Vd corresponding to V is calculated, and the calculated value is set in the drive circuit 415.

その後、駆動制御部421は、定在波発生モードに切り替わり、流体Sにおける定在波SWの形成を開始する(ステップS23)。
具体的には、駆動制御部421の制御により、駆動回路415は、流体Sに定在波SWを発生させるための所定周波数fと、ステップS22で設定された駆動電圧Vdとを有する駆動信号を、定在波発生素子33C(素子列CH-C)に対して出力開始する。これにより、定在波発生素子33Cから超音波が送信され、流体Sに定在波SWが形成される。その結果として、微粒子Mの濃縮液Scが分離開始される。
After that, the drive control unit 421 switches to the standing wave generation mode and starts forming the standing wave SW in the fluid S (step S23).
Specifically, under the control of the drive control unit 421, the drive circuit 415 generates a drive signal having a predetermined frequency f for generating a standing wave SW in the fluid S and the drive voltage Vd set in step S22. , starts outputting to the standing wave generating element 33C (element array CH-C). As a result, an ultrasonic wave is transmitted from the standing wave generating element 33C, and a standing wave SW is formed in the fluid S. As a result, separation of the concentrated liquid Sc of the fine particles M is started.

そして、駆動制御部421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S24)、測定タイミングになったと判定したとき(ステップS24;Yesの場合)、定在波形成を停止させる(ステップS25)。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。 Then, the drive control unit 421 determines whether or not a predetermined measurement timing has arrived (step S24), and when determining that the measurement timing has come (step S24; in the case of Yes), the drive control unit 421 forms a standing wave. is stopped (step S25). This measurement timing is not particularly limited, but may be set, for example, at predetermined time intervals.

次いで、駆動制御部421は、測定モードに切り替わり、ステップS21と同様に、流体Sの流速測定(ステップS26)を行う。
その後、駆動制御部421は、ステップS26で測定された流速Vと、メモリー43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S27)。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。
Next, the drive control unit 421 switches to the measurement mode and measures the flow velocity of the fluid S (step S26) similarly to step S21.
After that, the drive control unit 421 determines whether or not the flow velocity V measured in step S26 matches the reference flow velocity Vs stored in the memory 43 (step S27). Here, "match" is not limited to a complete match, but includes a predetermined error. That is, if |V−Vs| is within a preset error range, it is determined that the two match.

ステップS27でNoと判定される場合、駆動制御部421は、ステップS26で測定された流速Vに応じて、ステップS22と同様に駆動電圧Vdを調整する(ステップS28)。なお、駆動制御部421は、駆動電圧Vdの調整後、ステップS26で測定された流速Vの値を、メモリー43に記憶される基準流速Vsとして更新する。 If the determination in step S27 is No, the drive control unit 421 adjusts the drive voltage Vd in the same way as in step S22, according to the flow velocity V measured in step S26 (step S28). Note that, after adjusting the drive voltage Vd, the drive control unit 421 updates the value of the flow velocity V measured in step S26 as the reference flow velocity Vs stored in the memory 43.

仮に、ステップS26で測定された流速Vが基準流速Vsよりも大きい場合、駆動制御部421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415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、ステップS26で測定された流速Vが基準流速Vsよりも小さい場合、駆動制御部421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415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を集束させないことができる。
If the flow velocity V measured in step S26 is larger than the reference flow velocity Vs, the drive control unit 421 calculates a value larger than the current set value as the drive voltage Vd, and sets the drive voltage to the drive circuit 415. Increase Vd. This increases the speed at which the particles M in the fluid S converge, so that particles M of a desired size can be sufficiently focused while the fluid S passes through the area where the standing wave SW is formed.
On the other hand, if the flow velocity V measured in step S26 is smaller than the reference flow velocity Vs, the drive control unit 421 calculates a value smaller than the current set value as the drive voltage Vd, and sets the drive voltage Vd in the drive circuit 415. Decrease Vd. As a result, the speed at which the particles M in the fluid S are focused is slowed down, so that while the fluid S passes through the area where the standing wave SW is formed, particles M of a desired size can be focused, while particles M of a desired size can be It is also possible to prevent small particles M from being focused.

ステップS27でYesと判定される場合、または、ステップS28の後、駆動制御部421は、定在波発生モードに切り替わり、流体Sにおける定在波SWの形成を再開する(ステップS29)。具体的には、駆動制御部421の制御により、駆動回路415は、流体Sに定在波SWを発生させるための所定周波数fと、ステップS28で調整された駆動電圧Vd(または停止前と同じ駆動電圧Vd)とを有する駆動信号を、定在波発生素子33C(素子列CH-C)に対して出力開始する。これにより、流体Sにおける定在波SWの形成が再開される。 If the determination in step S27 is Yes, or after step S28, the drive control unit 421 switches to the standing wave generation mode and resumes forming the standing wave SW in the fluid S (step S29). Specifically, under the control of the drive control unit 421, the drive circuit 415 uses a predetermined frequency f for generating a standing wave SW in the fluid S and a drive voltage Vd adjusted in step S28 (or the same value as before stopping). A drive signal having a drive voltage Vd) is started to be output to the standing wave generating element 33C (element column CH-C). As a result, the formation of the standing wave SW in the fluid S is restarted.

その後、流体デバイス10における処理はステップS24に戻る。なお、流体デバイス10は、使用者の操作により停止指示が入力された場合や、所定時間が経過した場合などにおいて、図7のフローチャートを終了させればよい。
以上により、図7のフローチャートが継続する間、駆動電圧は、流速Vに応じてフィードバック制御される。
After that, the process in the fluidic device 10 returns to step S24. Note that the fluid device 10 may end the flowchart of FIG. 7 when a stop instruction is input by the user's operation or when a predetermined time has elapsed.
As described above, while the flowchart of FIG. 7 continues, the drive voltage is feedback-controlled according to the flow velocity V.

(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、超音波素子群である超音波素子アレイ30を備え、超音波素子アレイ30に含まれる第1超音波素子33Aおよび第2超音波素子33Bを利用して流体Sの流速Vを測定できる。すなわち、音響力を発生させるための超音波素子アレイ30を、流速測定においても利用できる。これにより、超音波素子アレイ30による音響力の発生領域における流体Sの流速情報を取得することができる。また、従来の流量計を流体デバイスに設ける場合と比べて、流体デバイス10の全体を小型化できる。
(Operations and effects of this embodiment)
As described above, the fluidic device 10 of this embodiment includes the ultrasonic element array 30 which is a group of ultrasonic elements, and includes the first ultrasonic element 33A and the second ultrasonic element 33B included in the ultrasonic element array 30. The flow velocity V of the fluid S can be measured using this method. That is, the ultrasonic element array 30 for generating acoustic force can also be used for flow velocity measurement. Thereby, flow velocity information of the fluid S in the region where the acoustic force is generated by the ultrasonic element array 30 can be acquired. Furthermore, the overall size of the fluid device 10 can be reduced compared to the case where a conventional flow meter is provided in the fluid device.

本実施形態において、超音波素子アレイ30は、第1超音波素子33Aおよび第2超音波素子33Bとは異なる定在波発生素子33Cを含む。このような構成では、定在波発生素子33Cが発生させる定在波SWを利用して、流体S中の微粒子Mを捕捉することができる。また、所望の大きさの微粒子Mを捕捉するための超音波の振幅を適切に設定することができる。 In this embodiment, the ultrasonic element array 30 includes a standing wave generating element 33C that is different from the first ultrasonic element 33A and the second ultrasonic element 33B. In such a configuration, the particles M in the fluid S can be captured using the standing wave SW generated by the standing wave generating element 33C. Furthermore, the amplitude of the ultrasonic waves for capturing fine particles M of a desired size can be appropriately set.

本実施形態において、駆動制御部421は、超音波素子アレイ30を測定モードと定在波発生モードとの間で切り替え可能である。このような構成では、測定モードと定在波発生モードとを分けて実施することで、定在波SWを発生するための超音波と流速測定のための超音波との混在を回避できるため、受信回路413の構成を簡易にすることができる。 In this embodiment, the drive control unit 421 can switch the ultrasonic element array 30 between a measurement mode and a standing wave generation mode. In such a configuration, by performing the measurement mode and the standing wave generation mode separately, it is possible to avoid mixing the ultrasonic waves for generating the standing wave SW and the ultrasonic waves for measuring the flow velocity. The configuration of the receiving circuit 413 can be simplified.

本実施形態において、流路20は、互いに対向する第1流路壁221および第2流路壁222を有し、第1超音波素子33Aおよび第2超音波素子33Bを含む超音波素子アレイ30は、第1流路壁221に設けられている。このような構成では、第2流路壁222における超音波の反射を利用して流速測定を行うことができる。このため、微粒子Mの捕捉などの音響力の利用と、流速測定とを、1つの超音波素子アレイ30によって実施することができる。 In this embodiment, the flow path 20 has a first flow path wall 221 and a second flow path wall 222 facing each other, and an ultrasonic element array 30 including a first ultrasonic element 33A and a second ultrasonic element 33B. is provided on the first flow path wall 221. With such a configuration, the flow velocity can be measured using the reflection of ultrasonic waves on the second flow path wall 222. Therefore, the use of acoustic force such as capturing the particles M and the measurement of the flow velocity can be performed by one ultrasonic element array 30.

[第2実施形態]
第2実施形態の流体デバイス10について図8を参照して説明する。
第2実施形態の流体デバイス10は、流路20に設けられる超音波素子群として、第1超音波素子アレイ30Aおよび第2超音波素子アレイ30Bを備える点以外、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利用し、その説明を省略または簡略化する。
[Second embodiment]
A fluid device 10 according to a second embodiment will be described with reference to FIG. 8.
The fluidic device 10 of the second embodiment is substantially the same as the first embodiment except that it includes a first ultrasonic element array 30A and a second ultrasonic element array 30B as an ultrasonic element group provided in the flow path 20. Equipped with a configuration. Hereinafter, the same reference numerals will be used for the same configurations as in the first embodiment, and the description thereof will be omitted or simplified.

第2実施形態の流体デバイス10は、第1流路壁221に設けられた第1超音波素子アレイ30Aと、第2流路壁222に設けられた第2超音波素子アレイ30Bとを備える。すなわち、第1超音波素子アレイ30Aは、第1流路壁221の一部を構成しており、第2超音波素子アレイ30Bは、第2流路壁222の一部を構成しており、それぞれ、流路本体22内の流体Sに面する。
なお、以下では、第1超音波素子アレイ30Aおよび第2超音波素子アレイ30Bを単に超音波素子アレイ30A,30Bと記載する場合がある。
The fluidic device 10 of the second embodiment includes a first ultrasonic element array 30A provided on a first channel wall 221 and a second ultrasonic element array 30B provided on a second channel wall 222. That is, the first ultrasonic element array 30A constitutes a part of the first channel wall 221, and the second ultrasonic element array 30B constitutes a part of the second channel wall 222, Each faces the fluid S within the channel body 22 .
In addition, below, the 1st ultrasonic element array 30A and the 2nd ultrasonic element array 30B may be simply described as ultrasonic element array 30A, 30B.

超音波素子アレイ30A,30Bの各構成は、第1実施形態の超音波素子アレイ30とほぼ同様であり、それぞれ、アレイ状に配置される複数の超音波素子33を含む。超音波素子アレイ30A,30Bにおける各超音波素子33は、第1実施形態と同様、回路部41を介して駆動制御部421により駆動制御される。
ただし、第1超音波素子アレイ30Aは、複数の超音波素子33として、第1超音波素子33Aおよび複数の定在波発生素子33Cを含む。第2超音波素子アレイ30Bは、複数の超音波素子33として、第2超音波素子33Bおよび複数の定在波発生素子33Cを含む。
The configurations of the ultrasonic element arrays 30A and 30B are substantially the same as the ultrasonic element array 30 of the first embodiment, and each includes a plurality of ultrasonic elements 33 arranged in an array. Each ultrasonic element 33 in the ultrasonic element arrays 30A and 30B is drive-controlled by a drive control unit 421 via a circuit unit 41, as in the first embodiment.
However, the first ultrasonic element array 30A includes a first ultrasonic element 33A and a plurality of standing wave generating elements 33C as the plurality of ultrasonic elements 33. The second ultrasonic element array 30B includes, as the plurality of ultrasonic elements 33, a second ultrasonic element 33B and a plurality of standing wave generating elements 33C.

第1超音波素子アレイ30Aにおける第1超音波素子33A(素子列CH-A)の配置、および、第2超音波素子アレイ30Bにおける第2超音波素子33B(素子列CH-B)の配置は、それぞれ特に限定されないが、第1超音波素子33A(素子列CH-A)は、第2超音波素子33B(素子列CH-B)よりも流路20の上流側に配置されるものとする。
なお、図8に示す例では、第1超音波素子アレイ30Aにおいて上流側の端部に配置される超音波素子33が第1超音波素子33Aであり、第2超音波素子アレイ30BにおいてX方向中央部に配置される超音波素子33が第2超音波素子33Bである。ここで、第1超音波素子33Aと第2超音波素子33Bとの間のX方向の素子間距離dは既知である。
The arrangement of the first ultrasonic elements 33A (element column CH-A) in the first ultrasonic element array 30A and the arrangement of the second ultrasonic elements 33B (element column CH-B) in the second ultrasonic element array 30B are Although not particularly limited, it is assumed that the first ultrasonic element 33A (element row CH-A) is arranged on the upstream side of the flow path 20 than the second ultrasonic element 33B (element row CH-B). .
In the example shown in FIG. 8, the ultrasonic element 33 disposed at the upstream end of the first ultrasonic element array 30A is the first ultrasonic element 33A, and the ultrasonic element 33 disposed at the upstream end of the first ultrasonic element array 30A is The ultrasonic element 33 placed in the center is the second ultrasonic element 33B. Here, the inter-element distance d in the X direction between the first ultrasonic element 33A and the second ultrasonic element 33B is known.

第2実施形態の流体デバイス10における流速測定方法および制御方法は、第1実施形態と同様である。ただし、第2実施形態において、超音波伝搬距離L’は、以下の式(9)によって表され、上記式(5)におけるcosθは、以下の式(10)によって表される。よって、流速Vは、以下の式(11)によって表される。

Figure 2024005405000010
Figure 2024005405000011
Figure 2024005405000012
The flow rate measurement method and control method in the fluid device 10 of the second embodiment are the same as those of the first embodiment. However, in the second embodiment, the ultrasonic propagation distance L' is expressed by the following equation (9), and cos θ in the above equation (5) is expressed by the following equation (10). Therefore, the flow velocity V is expressed by the following equation (11).
Figure 2024005405000010
Figure 2024005405000011
Figure 2024005405000012

以上説明した第2実施形態の流体デバイス10では、第1実施形態と同様の効果を奏する。また、第2実施形態の流体デバイス10では、流速測定の際、反射を経ずに超音波を送受信できるため、受信回路413におけるノイズを低減させることができる。 The fluid device 10 of the second embodiment described above has the same effects as the first embodiment. Further, in the fluidic device 10 of the second embodiment, since ultrasonic waves can be transmitted and received without reflection when measuring flow velocity, noise in the receiving circuit 413 can be reduced.

[第3実施形態]
第3実施形態の流体デバイス10Aについて図9を参照して説明する。
第3実施形態の流体デバイス10Aでは、回路部41Aが第1実施形態の駆動回路415を備えていない点以外、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利用し、その説明を省略または簡略化する。
[Third embodiment]
A fluid device 10A of the third embodiment will be described with reference to FIG. 9.
The fluid device 10A of the third embodiment has substantially the same configuration as the first embodiment except that the circuit section 41A does not include the drive circuit 415 of the first embodiment. Hereinafter, the same reference numerals will be used for the same configurations as in the first embodiment, and the description thereof will be omitted or simplified.

第3実施形態において、選択回路411Aは、超音波素子アレイ30の各超音波素子33(素子列CH)と送信回路412または受信回路413とを接続可能である。
駆動制御部421が定在波発生モードに切り替わると、駆動制御部421の制御により、選択回路411Aが定在波発生素子33C(素子列CH-C)と送信回路412とを接続する。そして、送信回路412は、定在波発生素子33C(素子列CH-C)に対し、定在波SWを形成するための所定周波数fの駆動信号を出力する。
In the third embodiment, the selection circuit 411A can connect each ultrasonic element 33 (element column CH) of the ultrasonic element array 30 to the transmitting circuit 412 or the receiving circuit 413.
When the drive control section 421 switches to the standing wave generation mode, the selection circuit 411A connects the standing wave generation element 33C (element column CH-C) and the transmission circuit 412 under the control of the drive control section 421. Then, the transmitting circuit 412 outputs a drive signal of a predetermined frequency f for forming a standing wave SW to the standing wave generating element 33C (element array CH-C).

なお、第3実施形態では、定在波発生モードにおいて、定在波発生素子33C(素子列CH-C)だけでなく、第1超音波素子33A(素子列CH-A)および第2超音波素子33B(素子列CH-B)が送信回路412に接続されてもよい。すなわち、定在波発生素子33C(素子列CH-C)だけでなく、第1超音波素子33A(素子列CH-A)および第2超音波素子33B(素子列CH-B)も共に、定在波SWを発生させるための超音波を送信してもよい。 In addition, in the third embodiment, in the standing wave generation mode, not only the standing wave generating element 33C (element row CH-C) but also the first ultrasonic element 33A (element row CH-A) and the second ultrasonic Element 33B (element column CH-B) may be connected to transmitter circuit 412. That is, not only the standing wave generating element 33C (element row CH-C), but also the first ultrasonic element 33A (element row CH-A) and the second ultrasonic element 33B (element row CH-B) Ultrasonic waves may be transmitted to generate the on-wave SW.

また、第3実施形態では、測定モードにおいて、超音波素子アレイ30のうちの任意の超音波素子33が第1超音波素子33Aおよび第2超音波素子33Bとして選択されてもよい。 Further, in the third embodiment, in the measurement mode, any ultrasonic element 33 of the ultrasonic element array 30 may be selected as the first ultrasonic element 33A and the second ultrasonic element 33B.

[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。
[Modified example]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the present invention includes modifications, improvements, and configurations obtained by appropriately combining the embodiments to the extent that the objects of the present invention can be achieved. be.

(変形例1)
上記第1,第2実施形態では、駆動制御部421が超音波素子アレイ30を測定モードと定在波発生モードとに切り替えるが、定在波SWの形成中に流体Sの流速Vを測定してもよい。
例えば、変形例に係る流体デバイス10の制御方法では、上記第1実施形態で説明した図7のフローチャートのうち、ステップS25,S29を省略してもよい。この場合、駆動回路415は、ステップS23において定在波発生素子33Cを駆動開始した後、当該定在波発生素子33Cを継続的に駆動する。ステップS26では、駆動回路415が定在波発生素子33Cを継続的に駆動している間、上記第1実施形態と同様の流速測定方法を実施する。
(Modification 1)
In the first and second embodiments described above, the drive control unit 421 switches the ultrasonic element array 30 between the measurement mode and the standing wave generation mode, but the flow velocity V of the fluid S is measured while the standing wave SW is being formed. You can.
For example, in the method for controlling the fluidic device 10 according to the modified example, steps S25 and S29 in the flowchart of FIG. 7 described in the first embodiment may be omitted. In this case, the drive circuit 415 starts driving the standing wave generating element 33C in step S23, and then continuously drives the standing wave generating element 33C. In step S26, while the drive circuit 415 is continuously driving the standing wave generating element 33C, the same flow velocity measurement method as in the first embodiment is performed.

このような変形例において、第1超音波素子33Aまたは第2超音波素子33Bから送信される超音波の周波数(すなわち流速測定用の超音波の周波数)は、定在波発生素子33Cから送信される超音波の周波数(すなわち定在波形成用の超音波の周波数)とは異なることが好ましい。この場合、受信回路413は、参照信号回路やローパスフィルターを含んで構成され、直交検波などの検波方式を実施することにより、流速測定用の超音波に由来する受信信号を抽出することができる。
なお、流速測定に使用される超音波の周波数と、定在波形成に使用される超音波の周波数とは、同じであってもよい。この場合、受信回路413は、定在波形成のための連続波に由来する受信信号をフィルターで取り除き、流速測定のためのバースト波に由来する受信信号を抽出すればよい。
In such a modification, the frequency of the ultrasonic waves transmitted from the first ultrasonic element 33A or the second ultrasonic element 33B (that is, the frequency of the ultrasonic waves for flow velocity measurement) is the same as that transmitted from the standing wave generating element 33C. It is preferable that the frequency is different from the frequency of the ultrasonic wave used for forming the standing wave (that is, the frequency of the ultrasonic wave for forming a standing wave). In this case, the receiving circuit 413 includes a reference signal circuit and a low-pass filter, and can extract a received signal derived from the ultrasonic wave for measuring the flow velocity by implementing a detection method such as orthogonal detection.
Note that the frequency of the ultrasonic waves used for measuring the flow velocity and the frequency of the ultrasonic waves used for forming the standing wave may be the same. In this case, the receiving circuit 413 may remove the received signal derived from the continuous wave for forming the standing wave with a filter, and extract the received signal derived from the burst wave for measuring the flow velocity.

(変形例2)
上記各実施形態において、超音波素子アレイ30,30A,30Bは、アレイ状に配置される複数の超音波素子33を含むものであればよい。例えば、超音波素子アレイ30,30A,30Bは、XZ平面に2次元配列された複数の超音波素子33を含むものに限定されず、少なくともX方向に1次元配列された複数の超音波素子33を含むものであればよい。
また、上記第1実施形態では、超音波素子アレイ30において、上流側の端部に配置される超音波素子33を第1超音波素子33Aとし、下流側の端部に配置される超音波素子33を第2超音波素子33Bとしているが、第1超音波素子33Aおよび第2超音波素子33Bは、それぞれ任意の超音波素子33であればよい。
また、上記第1実施形態では、第1超音波素子33Aと第2超音波素子33Bとの間には、複数の定在波発生素子33Cが配置されるが、少なくとも1つの定在波発生素子33Cが配置されればよい。
(Modification 2)
In each of the above embodiments, the ultrasonic element arrays 30, 30A, and 30B may include a plurality of ultrasonic elements 33 arranged in an array. For example, the ultrasonic element arrays 30, 30A, and 30B are not limited to those that include a plurality of ultrasonic elements 33 arranged two-dimensionally in the XZ plane, but include a plurality of ultrasonic elements 33 arranged one-dimensionally in at least the X direction. It is sufficient as long as it includes.
Further, in the first embodiment, in the ultrasonic element array 30, the ultrasonic element 33 disposed at the upstream end is the first ultrasonic element 33A, and the ultrasonic element 33 disposed at the downstream end is the first ultrasonic element 33A. Although 33 is the second ultrasonic element 33B, the first ultrasonic element 33A and the second ultrasonic element 33B may each be any arbitrary ultrasonic element 33.
Further, in the first embodiment, a plurality of standing wave generating elements 33C are arranged between the first ultrasonic element 33A and the second ultrasonic element 33B, but at least one standing wave generating element 33C may be placed.

(変形例3)
上記各実施形態の超音波素子アレイ30,30A,30Bは、定在波発生素子33Cを含まなくてもよい。例えば、超音波素子アレイ30,30A,30Bのうち、流速測定に用いられる第1超音波素子33Aおよび第2超音波素子33B以外の超音波素子33は、流体中の音速測定など、任意の用途に用いられてもよい。
(Modification 3)
The ultrasonic element arrays 30, 30A, and 30B of each of the above embodiments may not include the standing wave generating element 33C. For example, among the ultrasonic element arrays 30, 30A, and 30B, the ultrasonic elements 33 other than the first ultrasonic element 33A and the second ultrasonic element 33B used for flow velocity measurement may be used for arbitrary purposes such as measuring the sound velocity in a fluid. May be used for.

(変形例4)
上記各実施形態では、流路20は、互いに対向する第1流路壁221および第2流路壁222を有さずともよい。例えば、流路20は、円管形状を有してもよい。この場合、超音波素子アレイ30,30A,30Bは、X方向に1次元配列された複数の超音波素子33を含むことが好ましい。
(Modification 4)
In each of the above embodiments, the flow path 20 does not need to have the first flow path wall 221 and the second flow path wall 222 that face each other. For example, the flow path 20 may have a circular tube shape. In this case, it is preferable that the ultrasonic element arrays 30, 30A, and 30B include a plurality of ultrasonic elements 33 arranged one-dimensionally in the X direction.

(変形例5)
上記各実施形態では、流路20に設けられる超音波素子群が、1つの超音波素子アレイ30、または、互いに対向配置される第1超音波素子アレイ30Aおよび第2超音波素子アレイ30Bを含む場合を説明しているが、これらに限定されない。
例えば、流路20に設けられる超音波素子群は、流路20の第1流路壁221に配置される複数の超音波素子アレイ30を含んでもよい。この場合、第1超音波素子33Aおよび第2超音波素子33Bは、任意の超音波素子アレイ30に含まれていればよく、第1超音波素子33Aが含まれる超音波素子アレイ30と、第2超音波素子33Bが含まれる超音波素子アレイ30とは互いに異なってもよい。
(Modification 5)
In each of the above embodiments, the ultrasonic element group provided in the flow path 20 includes one ultrasonic element array 30, or a first ultrasonic element array 30A and a second ultrasonic element array 30B arranged opposite to each other. The following cases are described, but are not limited to these cases.
For example, the ultrasonic element group provided in the flow path 20 may include a plurality of ultrasonic element arrays 30 arranged on the first flow path wall 221 of the flow path 20. In this case, the first ultrasonic element 33A and the second ultrasonic element 33B only need to be included in any ultrasonic element array 30, and the ultrasonic element array 30 including the first ultrasonic element 33A and the The ultrasonic element array 30 including the two ultrasonic elements 33B may be different from each other.

(変形例6)
上記各実施形態の超音波素子アレイ30,30A,30Bにおいて、超音波素子33の構成は、上述したものに限定されない。
例えば、超音波素子33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33は、所定駆動周波数の駆動信号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。
(Modification 6)
In the ultrasonic element arrays 30, 30A, and 30B of each of the embodiments described above, the configuration of the ultrasonic elements 33 is not limited to that described above.
For example, the ultrasonic element 33 may have a configuration that vibrates a piezoelectric actuator, or may have a configuration that vibrates a diaphragm included in an electrostatic actuator. Such an ultrasonic element 33 can generate vibrations and transmit ultrasonic waves by applying a drive signal of a predetermined drive frequency.

[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、流体が流通する流路と、前記流路に設けられ、アレイ状に配置される複数の超音波素子を含む超音波素子群と、前記複数の超音波素子の駆動を制御する駆動制御部と、前記流体の流速を測定する流速測定部と、を備え、前記駆動制御部は、前記超音波素子群のうち前記流体の流通方向において互いに異なる位置に配置される任意の第1超音波素子と第2超音波素子との間で、前記流体を介して超音波を互いに送受信させ、前記流速測定部は、前記第1超音波素子から前記第2超音波素子までの第1超音波伝搬時間と、前記第2超音波素子から前記第1超音波素子までの第2超音波伝搬時間との差に基づいて前記流速を測定する。
このような構成では、超音波素子群に含まれる任意の超音波素子を利用して、流体の流速を測定することができる。その結果、音響力の発生領域における流体の流速情報を取得することができ、流体中の微粒子に対する音響力を適切に設定することができる。また、従来の流量計を流体デバイスに設ける場合と比べて、流体デバイスの全体を小型化できる。
[Summary of this disclosure]
A summary of the present disclosure is appended below.
(Additional note 1)
A fluidic device according to the present disclosure includes a flow path through which a fluid flows, an ultrasonic element group including a plurality of ultrasonic elements provided in the flow path and arranged in an array, and driving of the plurality of ultrasonic elements. and a flow velocity measuring section that measures the flow velocity of the fluid. The first ultrasonic element and the second ultrasonic element transmit and receive ultrasonic waves to and from each other via the fluid, and the flow rate measuring section is configured to transmit and receive ultrasonic waves from the first ultrasonic element to the second ultrasonic element. The flow velocity is measured based on a difference between a first ultrasonic propagation time and a second ultrasonic propagation time from the second ultrasonic element to the first ultrasonic element.
With such a configuration, the flow velocity of the fluid can be measured using any ultrasonic element included in the ultrasonic element group. As a result, it is possible to obtain fluid flow velocity information in the region where the acoustic force is generated, and it is possible to appropriately set the acoustic force on the particles in the fluid. Furthermore, the entire fluid device can be made smaller in size compared to the case where a conventional flow meter is provided in the fluid device.

(付記2)
付記1に記載の流体デバイスにおいて、前記超音波素子群には、前記第1超音波素子と前記第2超音波素子との間に配置される定在波発生素子が含まれ、前記駆動制御部は、前記定在波発生素子から前記流体に所定周波数の超音波を送信させることで、前記流体に定在波を発生させることが好ましい。
このような構成では、定在波発生素子が発生させる定在波を利用して、流体中の微粒子を捕捉することができる。また、所望の大きさの微粒子を捕捉するための超音波の振幅を適切に設定することができる。
(Additional note 2)
In the fluidic device according to Supplementary Note 1, the ultrasonic element group includes a standing wave generating element disposed between the first ultrasonic element and the second ultrasonic element, and the drive controller Preferably, the standing wave is generated in the fluid by transmitting ultrasonic waves of a predetermined frequency from the standing wave generating element to the fluid.
With such a configuration, particles in the fluid can be captured using the standing wave generated by the standing wave generating element. Furthermore, the amplitude of the ultrasonic waves for capturing particles of a desired size can be appropriately set.

(付記3)
付記2に記載の流体デバイスにおいて、前記第1超音波素子または前記第2超音波素子から送信される超音波の周波数と、前記定在波発生素子から送信される超音波の周波数とは、互いに異なることが好ましい。
このような構成では、定在波形成用の超音波および流速測定用の超音波が共に受信されたとしても、流速測定用の超音波による信号を好適に検出することができる。
(Appendix 3)
In the fluidic device according to Supplementary Note 2, the frequency of the ultrasound transmitted from the first ultrasound element or the second ultrasound element and the frequency of the ultrasound transmitted from the standing wave generation element are mutually different. Preferably, they are different.
With such a configuration, even if both the ultrasonic waves for forming a standing wave and the ultrasonic waves for measuring the flow velocity are received, the signal due to the ultrasonic waves for measuring the flow velocity can be suitably detected.

(付記4)
付記2または付記3に記載の流体デバイスにおいて、前記駆動制御部は、前記第1超音波素子と前記第2超音波素子との間で超音波を送受信させる測定モードと、前記定在波発生素子から前記所定周波数の超音波を送信させる定在波発生モードとを切り替え可能であることが好ましい。
このような構成では、測定モードと定在波発生モードとを分けて実施することで、流速測定用の超音波による信号検出を簡易に行うことができる。
(Additional note 4)
In the fluid device according to Supplementary Note 2 or 3, the drive control section controls a measurement mode in which ultrasonic waves are transmitted and received between the first ultrasonic element and the second ultrasonic element, and a measurement mode in which the standing wave generating element It is preferable that it is possible to switch between the standing wave generation mode and the standing wave generation mode in which ultrasonic waves of the predetermined frequency are transmitted.
In such a configuration, by performing the measurement mode and the standing wave generation mode separately, signal detection using ultrasonic waves for flow velocity measurement can be easily performed.

(付記5)
付記4に記載の流体デバイスにおいて、前記駆動制御部は、前記定在波発生モードにおいて、前記第1超音波素子および前記第2超音波素子が前記定在波発生素子と共に前記定在波を発生させるように、前記第1超音波素子および前記第2超音波素子を前記定在波発生素子と共に駆動してもよい。
このような構成では、定在波発生素子だけでなく、第1超音波素子および第2超音波素子を定在波発生のために利用できるため、定在波をより広い範囲に発生させることができる。
(Appendix 5)
In the fluid device according to supplementary note 4, the drive control section causes the first ultrasonic element and the second ultrasonic element to generate the standing wave together with the standing wave generating element in the standing wave generation mode. The first ultrasonic element and the second ultrasonic element may be driven together with the standing wave generating element such that the standing wave generating element is driven.
In such a configuration, not only the standing wave generating element but also the first ultrasonic element and the second ultrasonic element can be used for generating standing waves, so it is possible to generate standing waves in a wider range. can.

(付記6)
付記1~付記5のいずれかに記載の流体デバイスにおいて、前記流路は、互いに対向する第1流路壁および第2流路壁を有し、前記超音波素子群は、前記第1流路壁に設けられ、かつ、前記第1超音波素子および前記第2超音波素子を含む超音波素子アレイであってもよい。
このような構成では、第1超音波素子と第2超音波素子との間の超音波伝搬距離を確保でき、流速測定の分解能を向上できる。
(Appendix 6)
In the fluidic device according to any one of Supplementary Notes 1 to 5, the flow path has a first flow path wall and a second flow path wall that face each other, and the ultrasonic element group is arranged in the first flow path. The ultrasonic element array may be provided on a wall and include the first ultrasonic element and the second ultrasonic element.
With such a configuration, the ultrasonic propagation distance between the first ultrasonic element and the second ultrasonic element can be ensured, and the resolution of flow velocity measurement can be improved.

(付記7)
付記1~付記6のいずれかに記載の流体デバイスにおいて、前記流路は、互いに対向する第1流路壁および第2流路壁を有し、前記超音波素子群は、前記第1流路壁に設けられ、かつ、前記第1超音波素子を含む第1超音波素子アレイと、前記第2流路壁に設けられ、かつ、前記第2超音波素子を含む第2超音波素子アレイと、を有してもよい。
このような構成では、流速測定用の超音波を受信する際のS/N比を向上でき、流速測定の精度を向上できる。
(Appendix 7)
In the fluidic device according to any one of Supplementary notes 1 to 6, the flow path has a first flow path wall and a second flow path wall that face each other, and the ultrasonic element group is arranged in the first flow path. a first ultrasonic element array provided on a wall and including the first ultrasonic element; a second ultrasonic element array provided on the second channel wall and including the second ultrasonic element; , may have.
With such a configuration, the S/N ratio when receiving ultrasonic waves for flow velocity measurement can be improved, and the accuracy of flow velocity measurement can be improved.

(付記8)
本開示に係る流体デバイスの制御方法は、流体の流速を測定する流体デバイスの制御方法であって、前記流体デバイスは、流体が流通する流路と、前記流路に設けられ、アレイ状に配置される複数の超音波素子を含む超音波素子群と、前記複数の超音波素子の駆動を制御する駆動制御部と、前記流体の流速を測定する流速測定部と、を備え、前記駆動制御部が前記超音波素子群のうち前記流体の流通方向において互いに異なる位置に配置される任意の第1超音波素子と第2超音波素子との間で、前記流体を介して超音波を互いに送受信させるステップと、前記流速測定部が前記第1超音波素子から前記第2超音波素子までの第1超音波伝搬時間と、前記第2超音波素子から前記第1超音波素子までの第2超音波伝搬時間との差に基づいて前記流速を測定するステップとを含む。
このような方法によっては、上述した流体デバイスの効果と同様の効果を得られる。
(Appendix 8)
A method for controlling a fluid device according to the present disclosure is a method for controlling a fluid device that measures the flow rate of a fluid, wherein the fluid device includes a flow path through which a fluid flows, and the fluid devices are provided in the flow path and arranged in an array. an ultrasonic element group including a plurality of ultrasonic elements, a drive control section that controls driving of the plurality of ultrasonic elements, and a flow velocity measurement section that measures the flow velocity of the fluid, the drive control section transmits and receives ultrasonic waves to and from each other via the fluid between any first ultrasonic element and second ultrasonic element that are arranged at different positions in the flow direction of the fluid among the group of ultrasonic elements. a first ultrasonic wave propagation time from the first ultrasonic element to the second ultrasonic element; and a second ultrasonic wave from the second ultrasonic element to the first ultrasonic element. and measuring the flow velocity based on a difference from a propagation time.
Depending on such a method, effects similar to those of the fluidic device described above can be obtained.

10,10A…流体デバイス、20…流路、21…流入口、22…流路本体、221…第1流路壁、222…第2流路壁、23…濃縮出口、24…排出口、25…流路基板、30…超音波素子アレイ、30A…第1超音波素子アレイ、30B…第2超音波素子アレイ、31…素子基板、311…基板本体部、311A…開口部、312…振動膜、312A…振動部、32…圧電素子、321…第1電極、321P…電極端子、322…圧電膜、323…第2電極、324…共通電極線、324P…電極端子、33…超音波素子、33A…第1超音波素子、33B…第2超音波素子、33C…定在波発生素子、40…制御部、41,41A…回路部、411,411A…選択回路、412…送信回路、413…受信回路、414…TOF算出回路、415…駆動回路、42…プロセッサー、421…駆動制御部、422…流速測定部、43…メモリー、CH,CH-A,CH-B,CH-C…素子列、d…素子間距離、L…超音波伝搬距離、M…微粒子、r…流路幅、S…流体、Sc…濃縮液、Sr…流体、SW…定在波、V…流速。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 10A... Fluid device, 20... Channel, 21... Inlet, 22... Channel main body, 221... First channel wall, 222... Second channel wall, 23... Concentration outlet, 24... Outlet, 25 ... Channel substrate, 30... Ultrasonic element array, 30A... First ultrasonic element array, 30B... Second ultrasonic element array, 31... Element substrate, 311... Substrate body, 311A... Opening, 312... Vibration membrane , 312A... Vibrating part, 32... Piezoelectric element, 321... First electrode, 321P... Electrode terminal, 322... Piezoelectric film, 323... Second electrode, 324... Common electrode wire, 324P... Electrode terminal, 33... Ultrasonic element, 33A... First ultrasonic element, 33B... Second ultrasonic element, 33C... Standing wave generating element, 40... Control section, 41, 41A... Circuit section, 411, 411A... Selection circuit, 412... Transmission circuit, 413... Receiving circuit, 414... TOF calculation circuit, 415... Drive circuit, 42... Processor, 421... Drive control section, 422... Flow velocity measuring section, 43... Memory, CH, CH-A, CH-B, CH-C... Element array , d... Distance between elements, L... Ultrasonic propagation distance, M... Fine particles, r... Channel width, S... Fluid, Sc... Concentrated liquid, Sr... Fluid, SW... Standing wave, V... Flow velocity.

Claims (8)

流体が流通する流路と、
前記流路に設けられ、アレイ状に配置される複数の超音波素子を含む超音波素子群と、
前記複数の超音波素子の駆動を制御する駆動制御部と、
前記流体の流速を測定する流速測定部と、を備え、
前記駆動制御部は、前記超音波素子群のうち前記流体の流通方向において互いに異なる位置に配置される任意の第1超音波素子と第2超音波素子との間で、前記流体を介して超音波を互いに送受信させ、
前記流速測定部は、前記第1超音波素子から前記第2超音波素子までの第1超音波伝搬時間と、前記第2超音波素子から前記第1超音波素子までの第2超音波伝搬時間との差に基づいて前記流速を測定する、流体デバイス。
A channel through which fluid flows;
an ultrasonic element group provided in the flow path and including a plurality of ultrasonic elements arranged in an array;
a drive control unit that controls driving of the plurality of ultrasonic elements;
A flow rate measurement unit that measures the flow rate of the fluid,
The drive control unit is configured to perform ultrasonic control via the fluid between arbitrary first and second ultrasonic elements that are arranged at different positions in the fluid flow direction among the ultrasonic element group. send and receive sound waves to each other,
The flow rate measuring unit measures a first ultrasonic propagation time from the first ultrasonic element to the second ultrasonic element, and a second ultrasonic propagation time from the second ultrasonic element to the first ultrasonic element. A fluidic device that measures the flow rate based on a difference between the flow rate and the flow rate.
前記超音波素子群には、前記第1超音波素子と前記第2超音波素子との間に配置される定在波発生素子が含まれ、
前記駆動制御部は、前記定在波発生素子から前記流体に所定周波数の超音波を送信させることで、前記流体に定在波を発生させる、請求項1に記載の流体デバイス。
The ultrasonic element group includes a standing wave generating element disposed between the first ultrasonic element and the second ultrasonic element,
The fluid device according to claim 1, wherein the drive control section generates a standing wave in the fluid by causing the standing wave generating element to transmit an ultrasonic wave of a predetermined frequency to the fluid.
前記第1超音波素子または前記第2超音波素子から送信される超音波の周波数と、前記定在波発生素子から送信される超音波の周波数とは、互いに異なる、請求項2に記載の流体デバイス。 The fluid according to claim 2, wherein the frequency of the ultrasound transmitted from the first ultrasound element or the second ultrasound element and the frequency of the ultrasound transmitted from the standing wave generation element are different from each other. device. 前記駆動制御部は、前記第1超音波素子と前記第2超音波素子との間で超音波を送受信させる測定モードと、前記定在波発生素子から前記所定周波数の超音波を送信させる定在波発生モードとを切り替え可能である、請求項2または請求項3に記載の流体デバイス。 The drive control unit has a measurement mode in which ultrasonic waves are transmitted and received between the first ultrasonic element and the second ultrasonic element, and a measurement mode in which ultrasonic waves at the predetermined frequency are transmitted from the standing wave generating element. The fluidic device according to claim 2 or 3, wherein the fluidic device is switchable between a wave generation mode and a wave generation mode. 前記駆動制御部は、前記定在波発生モードにおいて、前記第1超音波素子および前記第2超音波素子が前記定在波発生素子と共に前記定在波を発生させるように、前記第1超音波素子および前記第2超音波素子を前記定在波発生素子と共に駆動する、請求項4に記載の流体デバイス。 The drive control unit controls the first ultrasonic wave so that in the standing wave generation mode, the first ultrasonic element and the second ultrasonic element together with the standing wave generating element generate the standing wave. The fluid device according to claim 4, wherein the element and the second ultrasonic element are driven together with the standing wave generating element. 前記流路は、互いに対向する第1流路壁および第2流路壁を有し、
前記超音波素子群は、前記第1流路壁に設けられ、かつ、前記第1超音波素子および前記第2超音波素子を含む超音波素子アレイである、請求項1に記載の流体デバイス。
The flow path has a first flow path wall and a second flow path wall that face each other,
The fluid device according to claim 1, wherein the ultrasonic element group is an ultrasonic element array provided on the first channel wall and including the first ultrasonic element and the second ultrasonic element.
前記流路は、互いに対向する第1流路壁および第2流路壁を有し、
前記超音波素子群は、
前記第1流路壁に設けられ、かつ、前記第1超音波素子を含む第1超音波素子アレイと、
前記第2流路壁に設けられ、かつ、前記第2超音波素子を含む第2超音波素子アレイと、を有する、請求項1に記載の流体デバイス。
The flow path has a first flow path wall and a second flow path wall that face each other,
The ultrasonic element group is
a first ultrasonic element array provided on the first channel wall and including the first ultrasonic element;
The fluidic device according to claim 1, further comprising a second ultrasonic element array provided on the second channel wall and including the second ultrasonic element.
流体の流速を測定する流体デバイスの制御方法であって、
前記流体デバイスは、
流体が流通する流路と、
前記流路に設けられ、アレイ状に配置される複数の超音波素子を含む超音波素子群と、
前記複数の超音波素子の駆動を制御する駆動制御部と、
前記流体の流速を測定する流速測定部と、を備え、
前記駆動制御部が、前記超音波素子群のうち前記流体の流通方向において互いに異なる位置に配置される任意の第1超音波素子と第2超音波素子との間で、前記流体を介して超音波を互いに送受信させるステップと、
前記流速測定部が、前記第1超音波素子から前記第2超音波素子までの第1超音波伝搬時間と、前記第2超音波素子から前記第1超音波素子までの第2超音波伝搬時間との差に基づいて前記流速を測定するステップと、を含む、流体デバイスの制御方法。
A method for controlling a fluid device that measures the flow rate of a fluid, the method comprising:
The fluidic device includes:
A channel through which fluid flows;
an ultrasonic element group provided in the flow path and including a plurality of ultrasonic elements arranged in an array;
a drive control unit that controls driving of the plurality of ultrasonic elements;
A flow rate measurement unit that measures the flow rate of the fluid,
The drive control unit controls ultrasonic transmission between any first ultrasonic element and second ultrasonic element, which are arranged at different positions in the fluid flow direction among the ultrasonic element group, via the fluid. transmitting and receiving sound waves to each other;
The flow velocity measuring unit measures a first ultrasonic propagation time from the first ultrasonic element to the second ultrasonic element and a second ultrasonic propagation time from the second ultrasonic element to the first ultrasonic element. and measuring the flow rate based on the difference between the flow rate and the flow rate.
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