JP5430041B2 - 流体粘度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、粘度計（ｖｉｓｃｏｍｅｔｅｒ）に関し、より詳細には、血液（Ｂｌｏｏｄ）などのような流体の粘度（ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）を測定することができる流体粘度測定装置に関する。

一般的に、血液などのような流体の粘度を測定するための流体粘度測定装置を粘度計（ｖｉｓｃｏｍｅｔｅｒ）と言い、現在多く使用される粘度計の種類は、毛細管粘度計、回転式粘度計などがある。しかし、毛細管粘度計や回転式粘度計のような従来の粘度計は、試料の消耗量（〜ｍＬ）が比較的多く、多くの測定時間（〜ｈｒ）が必要であり、測定エラーが相対的に高い。これに比べて、微小流体素子基盤の粘度計は、少ない試料消耗量（〜ｕＬ）、短い測定時間（〜ｍｉｎ）、そして、連続的−リアルタイムで反復性及び再演性に対する正確な評価などの長所を有するため、この分野について多くの研究が進行されている。このような流体粘度計は、正確な流動学的特性分析のために必須である。特に、化学、生物学、医用工学分野で重要な分析的なツール中の１つとして考慮されている。粘度に対する必要性と有用性のため、迅速且つ正確に測定することができる装備に対する要求が増加している。

マイクロ流体素子基盤で測定対象流体の粘度を測定するために、測定対象流体の流体流動によって発生する摩擦損失による圧力降下を利用した多様な方法が提案された。従来提案された方法としては、「ａ）直接的な圧力センサーを利用した粘度測定方法と、ｂ）２つの流体の粘度比による境界面変化を利用した間接的な粘度測定方法」に分類される。まず、直接的な圧力センサーを利用して粘度を測定する方法は、複雑なキャリブレーション（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）と補正が必須である。これに比べて、２つの流体の境界面の変化を利用した間接的な粘度測定方法は、圧力センサーなしに粘度を容易に測定することができる。しかし、２つの流体の粘度比や表面張力比によって境界面の形状が多様に変わるので、測定対象流体の正確な境界面を検出するためにキャリブレーション及び補正が必要であり、さらにイメージプロセッシング（ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）が必要である。

本発明は、前述のような問題点を解決するためになされたもので、複数個のカウンティングチャンネルを有するマイクロチャンネルアレイを利用して、複雑なキャリブレーションまたは補正なしで測定対象流体の粘度を正確に測定できる流体粘度測定装置を提供するものである。

本発明の目的は、上記の目的に限定されず、言及しない他の目的は、以下の記載から当業者に明確に理解されることができる。

上記目的を達成するために、本発明の好ましい実施例による流体粘度測定装置は、粘度（ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）を測定しようとする測定対象流体が注入される第１流体注入部及び基準粘度を有する基準流体が注入される第２流体注入部と、前記第１流体注入部と前記第２流体注入部を相互連結し、前記測定対象流体及び前記基準流体の流路を形成する連結管と、前記連結管に一定の間隔で連通配置され、前記連結管の流路上に流動する前記測定対象流体及び前記基準流体がそれぞれ満たされる複数個のカウンティングチャンネルと、前記測定対象流体及び前記基準流体によって満たされるそれぞれの前記カウンティングチャンネルの個数を測定するための境界面測定部とを含むことができる。

前記カウンティングチャンネルは、前記連結管に垂直方向に形成されてもよい。

また、本発明の流体粘度測定装置は、前記連結管と前記カウンティングチャンネルの流体抵抗比を増加させて、前記測定対象流体と前記基準流体の正規化相対粘度比（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ、［ｍ_Ａ／ｍ_Ｂ］_{ｅｘｐｅｃｔｅｄ}／［ｍ_Ａ／ｍ_Ｂ］_{ｋｎｏｗｎ}、ここで、［ｍ_Ａ／ｍ_Ｂ］は、測定対象流体Ａと基準流体Ｂの相対粘度比、下付き文字ｋｎｏｗｎ及びｅｘｐｅｃｔｅｄは、既知値及び予測値）が１に収束されるようにすることが好ましい。

また、前記測定対象流体と前記基準流体の摩擦損失が大部分前記カウンティングチャンネルで発生するように、前記連結管の流体抵抗を前記カウンティングチャンネルの流体抵抗より少なくとも１０００倍以上小さく設定し、さらに好ましくは３０００倍以上小さく設定する。

また、本発明の流体粘度測定装置は、前記測定対象流体と前記基準流体によって満たされる前記カウンティングチャンネルの個数比と、前記測定対象流体と前記基準流体の注入流量比を利用して前記測定対象流体の粘度を測定することができる。ここで、前記測定対象流体の粘度は、前記測定対象流体と前記基準流体の注入流量及びそれぞれの流体によって満たされるカウンティングチャンネルの個数の関数で表すことができ、より具体的に、前記測定対象流体の粘性係数は、下記数式に基づいて計算できる。

ここで、μ_Ａとμ_Ｂは、それぞれ測定対象流体と基準流体の粘性係数であり、Ｎ_ＡとＮ_Ｂは、それぞれ測定対象流体と基準流体によって満たされるカウンティングチャンネルの個数であり、Ｑ_ＡとＱ_Ｂは、それぞれ測定対象流体と基準流体の注入流量である。

前記測定対象流体は、せん断率（Ｓｈｅａｒ Ｒａｔｅ）によって粘度が変化する非ニュトーン流体（ｎｏｎ−Ｎｅｗｔｏｎｉａｎ Ｆｌｕｉｄ）を含み、前記基準流体は、せん断率に関係なく、一定の粘度を有するニュトーン流体（Ｎｅｗｔｏｎｉａｎ Ｆｌｕｉｄ）を含むことができる。例えば、前記測定対象流体は、血液であり、前記基準流体は、リン酸緩衝式食塩水（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ Ｂｕｆｆｅｒｅｄ Ｓａｌｉｎｅ、ＰＢＳ）であってもよい。

あるいは、前記測定対象流体と前記基準流体は、せん断率に関係なく一定の粘度を有するニュトーン流体を含んでもよい。例えば、前記測定対象流体はＳＤＳ溶液（Ｓｏｄｉｕｍ Ｄｏｄｅｃｙｌ Ｓｕｌｆａｔｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）であり、前記基準流体は超純水（ＤＩ ｗａｔｅｒ）であってもよい。

前記境界面測定部は、前記測定対象流体が満たされる前記カウンティングチャンネルのうちいずれか１つに設けられる第１電極と、前記第１電極と電気的に連結され前記第１電極の抵抗を検出する第１抵抗検出部と、前記基準流体が満たされる前記カウンティングチャンネルのうちいずれか１つに設けられる第２電極と、前記第２電極と電気的に連結され前記第２電極の抵抗を検出する第２抵抗検出部と、前記測定対象流体と前記基準流体の注入流量比を変更し、２つの流体の境界面を移動させながら固定境界面を検出するために前記第１電極と前記第２電極との間の前記カウンティングチャンネルのうちいずれか１つに設けられる第３電極と、前記第３電極と電気的に連結され前記第３電極の抵抗を検出する第３抵抗検出部とを含むことができる。

また、本発明の流体粘度測定装置は、粘度を測定しようとする測定対象流体が注入される第１流体注入部及び基準粘度を有する基準流体が注入される第２流体注入部と、前記第１流体注入部と前記第２流体注入部を相互連結して、前記測定対象流体及び前記基準流体の流路を形成する連結管と、前記連結管に一定の間隔で連通配置され、前記連結管の流路上に流動する前記測定対象流体及び前記基準流体がそれぞれ満たされる複数個のカウンティングチャンネルとを含み、前記測定対象流体と前記基準流体の摩擦損失が大部分前記カウンティングチャンネルで発生するように、前記連結管の流体抵抗を前記カウンティングチャンネルの流体抵抗より少なくとも１０００倍以上小さく設定することを特徴とする。

その他、実施例の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。

上記のような本発明の流体粘度測定装置によれば、基準粘度を有する基準流体と血液などのような粘度測定対象流体の相対的な粘度差によってカウンティングチャンネルに満たされたチャンネルの個数が変わり、これを電気抵抗の変化を利用して測定することが可能であり、これによって、測定対象流体の粘度を容易に測定することができる。すなわち、本発明の流体粘度測定装置は、複数個のカウンティングチャンネルを有するマイクロチャンネルアレイを利用して、複雑なキャリブレーションまたは補正なしで測定対象流体の粘度を正確に測定することができる。

また、ニュトーン流体だけではなく、血液などのような非ニュトーン挙動をする流体に対しても多様なせん断率に対する粘度を、簡便で、且つ正確に測定することができる。

本発明の効果は、上記の効果に限定されず、言及しない他の効果は、請求範囲の記載から当業者に明確に理解できるのである。

図１は、本発明の好ましい実施例による流体粘度測定装置の概略図である。 図２は、本発明の流体粘度測定装置を利用して流体の粘度を測定する原理を説明するための図である。 図３は、本発明の流体粘度測定装置の数学的モデリングを説明するための図である。 図４は、測定対象流体Ａと基準流体Ｂの注入流量比Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｂによるカウンティングチャンネルに満たされたチャンネル個数比Ｎ_Ａ／Ｎ_Ｂに対する理論的な説明のためのグラフである。 図５は、連結管の流体抵抗に関連した変数Ｌ_ｍ、Ｗ_ｍ、Ｈ_ｍとカウンティングチャンネルの流体抵抗に関連した変数Ｌ_ｃ、Ｗ_ｃ、Ｈ_ｃを説明するための図である。 図６は、連結管及びカウンティングチャンネルの流体抵抗比Ｒ_ｃ／Ｒ_ｍ条件を満足する流体粘度測定装置において、同一の粘度ｍ_Ａ＝ｍ_Ｂを有する測定対象流体と基準流体の注入流量比の変化によるカウンティングチャンネルに満たされたチャンネル個数に対する数値解釈結果を示す図である。 図７は、連結管及びカウンティングチャンネルの流体抵抗比による正規化相対粘度（［ｍ_Ａ／ｍ_Ｂ］_{ｅｘｐｅｃｔｅｄ}／［ｍ_Ａ／ｍ_Ｂ］_{ｋｎｏｗｎ}、ここで、［ｍ_Ａ／ｍ_Ｂ］は、測定対象流体Ａと基準流体Ｂの相対粘度比であり、下付き文字ｋｎｏｗｎ及びｅｘｐｅｃｔｅｄは、既知値及び予測値である）と測定エラー関係を示すグラフである。 図８は、本発明の流体粘度測定装置に対して誘導された理論関係式を実験的に検証するために同一粘度を有する２つの流体の流量比変化による各流体がカウンティングチャンネルに満たされた個数検出のために測定されたイメージを示す図である。 図９は、測定対象流体と基準流体の注入流量比によってカウンティングチャンネルに測定対象流体が満たされたチャンネル個数に対する理論的予測、実験結果、そして２つの方法の偏差を示すグラフである。 図１０は、測定対象流体と基準流体がカウンティングチャンネルに満たされたチャンネル個数を一定に固定するためだ流体の注入流量比を調整し、粘度を測定するための方法を説明するための図である。 図１１は、測定対象流体と基準流体の注入流量比の調整によって２つの流体の境界面を境界面検出用電極位置に移動する方法を説明するための図である。 図１２の（ａ）は、同一流量条件Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｂ＝１０００：１０００μＬ／ｈで２．５％のＳＤＳ濃度によってカウンティングチャンネルに満たされたチャンネル個数を示し、図１２の（ｂ）は、基準流体が満たされたチャンネル個数が２６個を満足する時の注入流量Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｂ＝７５０：１０００μＬ／ｈを示す図である。 図１３の（ａ）は、同一流量条件Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｂ＝１０００：１０００μＬ／ｈで５．０％のＳＤＳ濃度によってカウンティングチャンネルに満たされたチャンネル個数を示し、図１３の（ｂ）は、基準流体が満たされたチャンネル個数が２６個を満足する時の注入流量Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｂ＝６２０：１０００μＬ／ｈを示す図である。 図１４の（ａ）は、同一流量条件Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｂ＝１０００：１０００μＬ／ｈで７．５％のＳＤＳ濃度によってカウンティングチャンネルに満たされたチャンネル個数を示し、図１４の（ｂ）は、基準流体が満たされたチャンネル個数が２６個を満足する時の注入流量Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｂ＝４９０：１０００μＬ／ｈを示す図である。 図１５の（ａ）は、同一流量条件Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｂ＝１０００：１０００μＬ／ｈで１０．０％のＳＤＳ濃度によってカウンティングチャンネルに満たされたチャンネル個数を示し、図１５の（ｂ）は、基準流体が満たされたチャンネル個数が２６個を満足する時の注入流量Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｂ＝４３０：１０００μＬ／ｈを示す図である。 図１６は、４つのＳＤＳ濃度（２．５％、５％、７．５％、１０％）を利用して４つの粘度条件を設定し、これを利用して本発明で提案された方法と常用粘度計（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＨＡＡＫＥ ＭＡＲＳ）を利用して測定された粘度値及び２つの方法の偏差（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）を示す図である。

本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付の図面と共に詳細に後述する実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は、以下で開示される実施例に限定されるものではなく、異なる多様な形態に実現することができて、本実施例はただ本発明の開示を完成して、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであって、本発明は、請求項の範疇によって定義されるだけである。明細書全体にわたって同一の参照符号は、同一の構成要素を指す。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例による流体粘度測定装置を詳しく説明する。参照として、本発明を説明するにあたって、関連した公知の機能あるいは構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断される場合は、その説明を略する。

図１は、本発明の好ましい実施例による流体粘度測定装置の概略図である。
図１に示されたように、本発明の好ましい実施例による流体粘度測定装置１は、流体注入部１１、１２、連結管２０及びカウンティングチャンネル３０などを含むことができる。

流体注入部は、粘度を測定しようとする測定対象流体Ａが注入される第１流体注入部１１と、基準粘度を有する基準流体Ｂが注入される第２流体注入部１２を含むことができる。

ここで、既知の粘度である基準流体Ｂは、測定対象流体Ａと混合しない流体であり、せん断率と関係ない一定の粘度を有するニュトーン流体が使用される。本発明の実施例において、測定対象流体Ａがせん断率によって粘度が変化する非ニュトーン流体、例えば、血液である場合、基準流体Ｂはニュトーン挙動をするリン酸緩衝食塩水を使用することが好ましい。また、測定対象流体Ａがせん断率に関係なく一定の粘度を有するニュトーン流体、例えば、ＳＤＳ溶液の場合、基準流体Ｂはニュトーン挙動をする超純水を使用することが好ましい。すなわち、本発明による流体粘度測定装置１は、せん断率に関係なく一定の粘度を有するニュトーン流体と、せん断率によって粘度が変化する非ニュトーン流体とに対する粘度を同時に測定することが可能である。

また、測定対象流体Ａと基準流体Ｂを、第１流体注入部１１と第２流体注入部１２にそれぞれ注入するために、ポンプ（図示せず）と弁（図示せず）などを備えてもよい。

連結管２０は、第１流体注入部１１と第２流体注入部１２との間を相互連結する。連結管２０は、内部に測定対象流体Ａ及び基準流体Ｂの流路が形成される管状（Ｔｕｂｅ）に設けられる。本発明の実施例において、連結管２０は、四角断面形状を有する四角筒状に設けるが、本発明と異なる円形及び多角形の断面形状に設けられてもよい。

カウンティングチャンネル３０は、連結管２０に一定の間隔で連通配置され、連結管２０の流路上に流動する測定対象流体Ａ及び基準流体Ｂがそれぞれ満たされることができるよう複数個設けられる。カウンティングチャンネル３０は、連結管２０内の測定対象流体Ａ及び基準流体Ｂの流動方向の横方向、すなわち連結管２０に垂直方向に配置され、カウンティングチャンネル３０の流体抵抗が連結管２０の流体抵抗に対して、相対的に大きい条件の下で測定対象流体Ａと基準流体Ｂの流動特性、特に２つの流体Ａ、Ｂの粘度がカウンティングチャンネル３０で決定されるようにする役目をする。このようなカウンティングチャンネル３０は、ＭＥＭＳでチャンネルの断面積を四角形及び任意の形状で製作可能である。

図２は、本発明の流体粘度測定装置を利用して流体の粘度を測定する原理を説明するための図である。

図２に示されたように、測定対象流体Ａ及び基準流体Ｂの相対粘度の差に起因する摩擦損失による圧力降下によってカウンティングチャンネル３０に満たされる２つの流体Ａ、Ｂのチャンネル個数が変わる。これを利用すれば、すなわち、測定対象流体Ａと基準流体Ｂによって満たされるカウンティングチャンネル３０の個数Ｎ_Ａ、Ｎ_Ｂと、測定対象流体Ａと基準流体Ｂの注入流量Ｑ_Ａ、Ｑ_Ｂを利用して測定対象流体Ａの粘度ｍ_Ａが計算できる。

図３は、本発明の流体粘度測定装置の数学的モデリングを説明するための図である。
図３に示されたように、測定対象流体Ａの粘度ｍ_Ａは、基準流体Ｂの粘度ｍ_Ｂ、測定対象流体Ａと基準流体Ｂによって満たされるカウンティングチャンネル３０の個数Ｎ_Ａ、Ｎ_Ｂ、測定対象流体Ａと基準流体Ｂの注入流量Ｑ_Ａ、Ｑ_Ｂによって決定される。

簡単に、相似法則（Ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ Ｌａｗ）を利用すれば、注入流量及び流体抵抗をそれぞれ電流及び抵抗で簡略に表すことができる。なお、図３ａは、測定対象流体Ａと基準流体Ｂの注入によって連結管２０で発生する流体抵抗Ｒ_ｍ、Ａ及びＲ_ｍ、Ｂを考慮した数学的なモデリングである。このようなモデリングの代わりに、連結管２０内の測定対象流体Ａと基準流体Ｂによる摩擦損失による圧力降下を無視できるように連結管２０を設計する場合、図３ｂのように、連結管２０に垂直に配置されたカウンティングチャンネル３０には、一定の圧力降下が発生するので、測定対象流体Ａの粘度ｍ_Ａと基準流体Ｂの粘度ｍ_Ｂの関係式は、単純に誘導することができて、測定対象流体Ａと基準流体Ｂによって満たされるカウンティングチャンネル３０の個数Ｎ_Ａ、Ｎ_Ｂと、測定対象流体Ａと基準流体Ｂの注入流量Ｑ_Ａ、Ｑ_Ｂにより表すことができる。

すなわち、測定対象流体Ａの粘度ｍ_Ａに対する関係式は、公知のポアズイユ流（Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ ｆｌｏｗ）の特性を考慮すると、圧力降下（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ）ＤＰと流量Ｑの関係式、
から、測定対象流体Ａと基準流体Ｂそれぞれの圧力降下ＤＰと流量Ｑに対する関係は、式２と式３の通りである。

ここで、圧力降下ＤＰは、同一なので、式２と式３を利用すると、
である。

この際、低いアスペクト比（Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｔｉｏ）を有するチャンネルに対する流体抵抗関係式５を式４に代入すると、式６の通りである。

式６で、チャンネル高さｈ、長さＬ及び幅ｗは同一なので、式６を式７のように簡単にまとめることができる。

したがって、測定対象流体Ａの粘度ｍ_Ａは、式８に基づいて計算できる。

ここで、μ_Ａとμ_Ｂは、それぞれ測定対象流体Ａと基準流体Ｂの粘性係数であり、Ｎ_ＡとＮ_Ｂは、それぞれ測定対象流体Ａと基準流体Ｂによって満たされるカウンティングチャンネル３０の個数であり、Ｑ_ＡとＱ_Ｂは、それぞれ測定対象流体Ａと基準流体Ｂの注入流量である。

式８を式９のように表すと、２つの流体Ａ、Ｂの相対粘度比ｍ_Ａ／ｍ_Ｂは、測定対象流体Ａと基準流体Ｂによって満たされるカウンティングチャンネル３０の個数比Ｎ_Ａ／Ｎ_Ｂに対する２つの流体Ａ、Ｂの注入流量比Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｂの勾配（ｓｌｏｐｅ）を意味する。

式９は、連結管２０内で摩擦損失がカウンティングチャンネル３０に比べて相対的に無視できる条件で誘導されたものである。このような仮定を満足する条件を探すために、式９を図４のように図式的に表すことができる。

図４は、測定対象流体Ａと基準流体Ｂの注入流量比Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｂによるカウンティングチャンネル３０に満たされたチャンネル個数比Ｎ_Ａ／Ｎ_Ｂに対する理論的な説明のためのグラフである。

図４を参照すると、ＣＡＳＥ（ａ）及び（ｂ）は、式（９）の条件を満すＣＡＳＥ（ｃ）に比べて２つの流体Ａ、Ｂの相対粘度比ｍ_Ａ／ｍ_Ｂを意味する勾配が相対的に小さい。これは、連結管２０内での摩擦損失によるものであり、これを低減させるためには、連結管２０の流体抵抗を小さくしなければならない。すなわち、式９を満足する条件は、連結管２０及びカウンティングチャンネル３０の流体抵抗比を増加させることによって可能である。

図５は、連結管の流体抵抗に関連した変数Ｌ_ｍ、Ｗ_ｍ、Ｈ_ｍとカウンティングチャンネルの流体抵抗に関連した変数Ｌ_ｃ、Ｗ_ｃ、Ｈ_ｃを説明するための図である。

図５に示されたように、連結管２０及びカウンティングチャンネル３０の流体抵抗Ｒは、断面積（幅Ｗ、高さＨ及び長さＬ）によって影響を受ける。流体抵抗関係式５を利用すれば、連結管２０及びカウンティングチャンネル３０の流体抵抗比（Ｒ_ｃ／Ｒ_ｍ、カウンティングチャンネル流体抵抗／連結管流体抵抗）は、式１０のように誘導される。

ここで、Ｌ_ｃ、Ｗ_ｃ、Ｈ_ｃは、カウンティングチャンネル３０の長さ、幅、高さを意味し、Ｌ_ｍ、Ｗ_ｍ、Ｈ_ｍは、連結管２０の長さ、幅、高さを意味する。すなわち、流体抵抗比関係式１０によれば、連結管２０及びカウンティングチャンネル３０の高さＨ_ｍ、Ｈ_ｃによる影響度が相対的に高く、この関係式から流体抵抗比Ｒ_ｃ／Ｒ_ｍが計算できる。

図６は、カウンティングチャンネル３０の個数及び連結管２０並びにカウンティングチャンネル３０の流体抵抗比Ｒ_ｃ／Ｒ_ｍがそれぞれ５０、１１６に設計された流体粘度測定装置１において、同一の粘度ｍ_Ａ＝ｍ_Ｂを有する測定対象流体Ａと基準流体Ｂの注入流量比によってカウンティングチャンネル３０に満たされた２つの流体Ａ、Ｂのチャンネル個数に対する数値解釈結果である。

数値解釈結果によれば、図６ａで、同一の流量条件Ｑ_Ａ＝Ｑ_Ｂでは、２つの流体Ａ、Ｂが満たされたカウンティングチャンネル３０の個数は２５であって、同一であるが、図６ｂで、基準流体Ｂの注入流量Ｑ_Ｂが測定対象流体Ａの注入流量Ｑ_Ａより１０倍大きく、それぞれ測定対象流体Ａと基準流体Ｂがカウンティングチャンネル３０に満たされたチャンネル個数がＮ_Ａ＝１４及びＮ_Ｂ＝３６である。すなわち、流量比Ｑ_Ｂ／Ｑ_Ａが１０の条件でカウンティングチャンネル３０に満たされたチャンネル個数比Ｎ_Ｂ／Ｎ_Ａが２．６であって、連結管２０内で摩擦損失がない条件では、チャンネル個数比が１０にならなければならないことを考慮すると、設計された流体粘度測定装置は連結管で多くの摩擦損失が発生し、それによって、式９を利用して粘度計算をすると、必然的に多くの測定エラーが発生する。

したがって、連結管２０内で発生する摩擦損失に対する効果を低減するために、連結管２０及びカウンティングチャンネル３０の流体抵抗比の増加が必要である。

まず、２つの流体Ａ、Ｂは、同一の粘度条件ｍ_Ａ＝ｍ_Ｂに設定し、流体抵抗比Ｒ_ｃ／Ｒ_ｍの増加によって式９のようにカウンティングチャンネル３０に満たされた２つの流体Ａ、Ｂのチャンネル個数比Ｎ_Ａ／Ｎ_Ｂに対する２つの流体Ａ、Ｂの注入流量比Ｑ_Ａ／Ｑ_Ｂの勾配（ｓｌｏｐｅ）である相対粘度ｍ_Ａ／ｍ_Ｂ（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）に対する数値解釈結果は、図７の通りである。

図７は、連結管及びカウンティングチャンネルの流体抵抗比による正規化相対粘度（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）、［ｍ_Ａ／ｍ_Ｂ］_{ｅｘｐｅｃｔｅｄ}／［ｍ_Ａ／ｍ_Ｂ］_{ｋｎｏｗｎ}、ここで、［ｍ_Ａ／ｍ_Ｂ］は、測定対象流体Ａと基準流体Ｂの相対粘度比、下付き文字ｋｎｏｗｎ及びｅｘｐｅｃｔｅｄは、既知値及び予測値）と測定エラー関係を示すグラフである。

図７を参照した数値解釈結果によれば、流体抵抗比Ｒ_ｃ／Ｒ_ｍが増加するほど正規化相対粘度（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ、［ｍ_Ａ／ｍ_Ｂ］_{ｅｘｐｅｃｔｅｄ}／［ｍ_Ａ／ｍ_Ｂ］_{ｋｎｏｗｎ}）が１に近接し、式９を利用した粘度計算のエラーは、次第に減少する。すなわち、連結管２０内での摩擦損失による効果は、次第に減少する。

流体抵抗比Ｒ_ｃ／Ｒ_ｍが３０００以上の条件では、正規化相対粘度（［ｍ_Ａ／ｍ_Ｂ］_{ｅｘｐｅｃｔｅｄ}／［ｍ_Ａ／ｍ_Ｂ］_{ｋｎｏｗｎ}）が１に収束し、式９を利用した粘度計算エラーは、１％未満であって、粘度を正確に測定することができることを示している。流体抵抗比Ｒ_ｃ／Ｒ_ｍが３０００以上では、粘度測定エラーが１％未満に収束するので、特に上限を定める必要はないが、流体抵抗比Ｒ_ｃ／Ｒ_ｍの上限を１００万未満の条件に設計することが好ましい。

以上のような結果から、提案された流体粘度測定装置１の測定エラーが最小限３０％以下となるようにするためには、連結管２０及びカウンティングチャンネル３０の流体抵抗比Ｒ_ｃ／Ｒ_ｍは、１０００以上に選定することが好ましい。すなわち、連結管２０内で測定対象流体Ａと基準流体Ｂの摩擦損失を減少させ、大部分カウンティングチャンネル３０で発生するように連結管２０の流体抵抗Ｒ_ｍをカウンティングチャンネル３０の流体抵抗Ｒ_ｃより少なくとも１０００倍以上小さく設定する。ここで、流体抵抗比Ｒ_ｃ／Ｒ_ｍは、式１０のように６個の変数Ｌ_ｃ、Ｗ_ｃ、Ｈ_ｃ、Ｌ_ｍ、Ｗ_ｍ、Ｈ_ｍによって決定される。

図８は、連結管及びカウンティングチャンネル３０の流体抵抗比Ｒ_ｃ／Ｒ_ｍが６３００に設計された流体粘度測定装置を利用して、誘導された粘度関係式８を実験的に検証するために同一の粘度ｍ_Ａ＝ｍ_Ｂを有する２つの流体Ａ、Ｂに対して基準流体Ｂの注入流量Ｑ_Ｂを２００μＬ／ｈに固定し、測定対象流体Ａの注入流量Ｑ_Ａ ２００〜２０００μＬ／ｈの条件で２つの流体Ａ、Ｂに満たされたカウンティングチャンネル３０への個数検出のために顕微鏡で測定されたイメージである。

図９は、図８の実験結果を利用して２つの流体Ａ、Ｂの流量比Ｑ_Ｂ／Ｑ_Ａによる測定対象流体Ａがカウンティングチャンネル３０に満たされたチャンネル個数Ｎ_Ａに対する実験的、理論的結果と、そして、２つの方法の偏差（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）である。すなわち、実験的な結果と理論的な予測結果が平均１％以内であって、十分な正確度を示している。

図１０は、測定対象流体と基準流体がカウンティングチャンネルに満たされたチャンネル個数を一定に固定するために２つの流体の注入流量比を調整し、粘度を測定するための方法を説明するための図である。

図１０に示されたように、本発明の好ましい実施例による流体粘度測定装置１は、測定対象流体Ａと基準流体Ｂによって満たされるそれぞれのカウンティングチャンネル３０の個数を測定するための境界面測定部４０を含むことができる。

境界面測定部４０は、測定対象流体測定部、基準流体測定部及び固定境界面測定部で構成されてもよい。

ここで、測定対象流体測定部は、測定対象流体Ａが満たされるカウンティングチャンネル３０のうちいずれか１つに設けられる第１電極４１、及び第１電極４１と電気的に連結され、第１電極４１の抵抗を検出する第１抵抗検出部４２である。また、基準流体測定部は、基準流体Ｂが満たされる前記カウンティングチャンネル３０のうちいずれか１つに設けられる第２電極４３、及び第２電極４３と電気的に連結され、第２電極４３の抵抗を検出する第２抵抗検出部４４である。また、固定境界面測定部は、測定対象流体Ａと基準流体Ｂの注入流量比を変更し、２つの流体Ａ、Ｂの境界面を移動させながら固定境界面を検出するために、第１電極４１と第２電極４３との間のカウンティングチャンネル３０のうちいずれか１つに設けられる第３電極４５及び第３電極４５と電気的に連結され、第３電極４５の抵抗を検出する第３抵抗検出部４６である。

一般的に、測定対象流体Ａによって電気抵抗が変わるので、それぞれのカウンティングチャンネル３０に対して抵抗を検出することが正確である。このために、カウンティングチャンネル３０の個数と同一の数の抵抗検出部が必要になり、この場合、多くの抵抗検出部を設置し、これを利用して信号処理をするので、非効率的である。このような問題点を改善するために、本発明では、固定境界面測定部４５、４６を設置し、２つの流体Ａ、Ｂの注入流量を適切に調整し、２つの流体Ａ、Ｂの境界面を固定境界面測定部４５、４６に存在するように調整する方法である。

すなわち、２つの流体Ａ、Ｂの境界が固定境界面測定部４５、４６で検出されるよう２つの流体Ａ、Ｂの注入流量を適切に調整すると、注入される２つの流体Ａ、Ｂがカウンティングチャンネル３０に満たされたチャンネル個数は固定され、それぞれ注入される測定対象流体Ａと基準流体Ｂの注入流量が分かるので、粘度関係式８を利用して測定対象流体Ａの粘度ｍ_Ａ測定が可能である。

図１１は、測定対象流体と基準流体の注入流量比の適切な調整によって２つの流体の境界面を固定境界面測定部に移動する方法を説明するための図である。

図１１の（ａ）に示されたように、測定対象流体Ａの粘度ｍ_Ａが基準流体Ｂの粘度ｍ_Ａより大きい場合には、２つの流体Ａ、Ｂの境界面が固定境界面測定部４５、４６より右側に存在する。この場合には、測定対象流体Ａの注入流量を減少させるか、基準流体Ｂの注入流量を増加させて、２つの流体Ａ、Ｂの境界面が固定境界面測定部４５、４６で検出されるように適切に調整することができる。これとは反対に、図１１の（ｂ）に示されたように、測定対象流体Ａの粘度ｍ_Ａが基準流体Ｂの粘度ｍ_Ｂより小さい場合は、２つの流体Ａ、Ｂの境界面が固定境界面測定部４５、４６より左側に存在する。この場合、２つの流体Ａ、Ｂの境界面を固定境界面測定部４５、４６に移動させるために注入される測定対象流体Ａの注入流量を増加させるか、基準流体Ｂの注入流量を減少させると、２つの流体Ａ、Ｂの境界面が固定境界面測定部４５、４６に存在する。

図１２、図１３、図１４及び図１５は、測定対象流体ＡでＳＤＳ（Ｓｏｄｉｕｍ Ｄｏｄｅｃｙｌ Ｓｕｌｆａｔｅ）濃度をそれぞれ２．５％、５．０％、７．５％、及び１０．０％の条件で超純水を基準流体Ｂとして測定されたイメージである。より詳細には、図１２の（ａ）、図１３の（ａ）、図１４の（ａ）及び図１５の（ａ）は、測定対象流体Ａの流量Ｑ_Ａと基準流体Ｂの流量Ｑ_Ｂをそれぞれ１０００μＬ／ｈの条件で測定されたものであり、図１２の（ｂ）、図１３の（ｂ）、図１４の（ｂ）及び図１５の（ｂ）は、測定対象流体Ａがカウンティングチャンネル３０に満たされたチャンネル個数Ｎ_Ａが２４を満足するために測定対象流体Ａの注入流量Ｑ_Ａを７５０μＬ／ｈ、６２０μＬ／ｈ、４９０μＬ／ｈ、４３０μＬ／ｈに設定して測定されたイメージである。

本発明では、ＳＤＳ濃度別に（２．５％、５％、７．５％、１０％）測定された実験結果に対して、正確性に対する比較のために、ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＨＡＡＫＥ ＭＡＲＳ粘度計を利用して粘度値を測定した。このような２つの方法で測定された実験結果に対する粘度値は、図１６に示されたグラフの通りである。

図１６を参照すれば、４つのＳＤＳ濃度条件で測定された粘度値に対して本発明で提案された流体粘度測定装置１で測定された粘度測定値が常用粘度計（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＨＡＡＫＥ ＭＡＲＳ）で測定された粘度値に対して平均的に４．０％以内と非常に正確であり、したがって、本発明の流体粘度測定装置で粘度測定が精密に行われていることを示している。

以上、添付の図面を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明がその技術的思想や必須な特徴を変更することなく、他の具体的な形態に実施されることができることを理解することができる。したがって、上記の実施例は、すべての面で例示的なものであって、限定的ものではないことを理解すべきである。本発明の範囲は、上記の詳細な説明よりも後述する特許請求範囲によって示され、特許請求範囲の意味及び範囲、そしてその均等概念から導出されるすべての変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

本発明は、血液などのような非ニュトーン流体だけでなく、ニュトーン流体を含み多様な流体に対する粘度を正確に測定することができる微小流体素子を基盤とする粘度計産業分野に利用されることができる。

Claims (12)

1. 粘度（ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）を測定しようとする測定対象流体が注入される第１流体注入部及び基準粘度を有する基準流体が注入される第２流体注入部と、
   前記第１流体注入部と前記第２流体注入部を相互連結して、前記測定対象流体及び前記基準流体の流路を形成する連結管と、
   前記連結管に一定の間隔で連通配置され、前記連結管の流路上に流動する前記測定対象流体及び前記基準流体がそれぞれ満たされる複数個のカウンティングチャンネルと、
   前記測定対象流体と前記基準流体によって満たされるそれぞれの前記カウンティングチャンネルの個数を測定するための境界面測定部と、を含む流体粘度測定装置。
2. 前記カウンティングチャンネルは、前記連結管において垂直方向に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の流体粘度測定装置。
3. 前記連結管と前記カウンティングチャンネルの流体抵抗比を増加させて、前記測定対象流体と前記基準流体の正規化相対粘度比（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）が１に収束されるようにすることを特徴とする、請求項１に記載の流体粘度測定装置。
4. 前記測定対象流体と前記基準流体の摩擦損失が大部分前記カウンティングチャンネルで発生するように前記連結管の流体抵抗を前記カウンティングチャンネルの流体抵抗より少なくとも１０００倍以上小さく設定することを特徴とする、請求項３に記載の流体粘度測定装置。
5. 前記測定対象流体と前記基準流体によって満たされる前記カウンティングチャンネルの個数比と、前記測定対象流体と前記基準流体の注入流量比とを利用して前記測定対象流体の粘度を測定することを特徴とする、請求項１に記載の流体粘度測定装置。
6. 前記測定対象流体の粘性係数は、下記数式に基づいて計算されることを特徴とする、請求項５に記載の流体粘度測定装置。
   μ_Ａ：測定対象流体の粘性係数
   μ_Ｂ：基準流体の粘性係数
   Ｎ_Ａ：測定対象流体によって満たされるカウンティングチャンネルの個数
   Ｎ_Ｂ：基準流体によって満たされるカウンティングチャンネルの個数
   Ｑ_Ａ：測定対象流体の注入流量
   Ｑ_Ｂ：基準流体の注入流量
7. 前記測定対象流体は、せん断率によって粘度が変化する非ニュトーン流体（ｎｏｎ−Ｎｅｗｔｏｎｉａｎ Ｆｌｕｉｄ）を含み、前記基準流体は、せん断率に関係なく一定の粘度を有するニュトーン流体（Ｎｅｗｔｏｎｉａｎ Ｆｌｕｉｄ）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の流体粘度測定装置。
8. 前記測定対象流体は血液であり、前記基準流体はリン酸緩衝式食塩水（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ Ｂｕｆｆｅｒｅｄ Ｓａｌｉｎｅ、ＰＢＳ）であることを特徴とする、請求項７に記載の流体粘度測定装置。
9. 前記測定対象流体と前記基準流体は、せん断率に関係なく一定の粘度を有するニュトーン流体を含むことを特徴とする、請求項１に記載の流体粘度測定装置。
10. 前記測定対象流体はＳＤＳ溶液（ＳＤＳ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）であり、前記基準流体は超純水（ＤＩ ｗａｔｅｒ）であることを特徴とする、請求項９に記載の流体粘度測定装置。
11. 前記境界面測定部は、
    前記測定対象流体が満たされる前記カウンティングチャンネルのうちいずれか１つに設けられる第１電極、及び前記第１電極と電気的に連結され前記第１電極の抵抗を検出する第１抵抗検出部と、
    前記基準流体が満たされる前記カウンティングチャンネルのうちいずれか１つに設けられる第２電極、及び前記第２電極と電気的に連結され前記第２電極の抵抗を検出する第２抵抗検出部と、
    前記測定対象流体と前記基準流体の注入流量比を変更し、２つの流体の境界面を移動させながら固定境界面を検出するために、前記第１電極と前記第２電極との間の前記カウンティングチャンネルのうちいずれか１つに設けられる第３電極、及び前記第３電極と電気的に連結され前記第３電極の抵抗を検出する第３抵抗検出部と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の流体粘度測定装置。
12. 粘度（ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）を測定しようとする測定対象流体が注入される第１流体注入部及び基準粘度を有する基準流体が注入される第２流体注入部と、
    前記第１流体注入部と前記第２流体注入部を相互連結し、前記測定対象流体及び前記基準流体の流路を形成する連結管と、
    前記連結管に一定の間隔で連通配置され、前記連結管の流路上に流動する前記測定対象流体及び前記基準流体がそれぞれ満たされる複数個のカウンティングチャンネルとを含み、
    前記測定対象流体と前記基準流体との摩擦損失が大部分前記カウンティングチャンネルで発生するように前記連結管の流体抵抗を前記カウンティングチャンネルの流体抵抗より少なくとも１０００倍以上小さく設定することを特徴とする流体粘度測定装置。