JP6361903B2 - 流体速度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体速度測定装置に係り、より詳しくは、二つの光源からの発光される光の屈折率を利用して流体の速度を測定する流体速度測定装置に関する。

現代人の期待寿命が増加し、それに応じて、伴う病気の種類も多様化している。そのため、病気の予防や診断のための様々な診断装置や診断システムが開発されている。
その中で、体外診断装置は、血液、及び尿などの人体の体液を試料として使用し、分析対象となる物質を検出し、定量分析を通じて病気の有無を迅速に判断することができるため、迅速性、効率性、及び正確性などを有するという利点を持っている。

一方、妊娠診断から癌や多発性硬化症のような様々な病気の検査に至るまで多様に活用することができるバイオセンサーは、抗体のような微細なタンパク質、及びＤＮＡなどを利用するため、バイオセンサーの精度が重要な課題となっている。関連先行文献として特許文献１がある。

特に、体外診断の市場においては、患者ごとの血漿の粘度の差により、マイクロ流体チャンネル内部での流速が異なる場合がある。また、ｆｌｏｗ ｃｙｔｏｍｅｔｒｙ、ｃｅｌｌ ｓｏｒｔｉｎｇ、及びｍｉｃｒｏ ｆｌｏｗ ｓｗｉｔｃｈなどでもこのような流速測定が非常に重要である。しかし、流体の速度を測定するための装置は、複雑、又は大型化されており、更に高価で精度が低い。
従って、安価でありながら正確にマイクロ流体の速度を測定できる技術の研究が必要な状況である。

韓国公開特許第２００９−０１０８４２８号公報

本発明の目的は、低い生産コストで製造可能でありながら、測定の精度が高い流体速度測定装置を提供することにある。
本発明の目的は、ユーザが簡単に設置及び使用でき、且つ測定の精度が高い流体速度測定装置を提供することにある。
本発明の目的は、二つの光源から発光された光の屈折率を利用して、流体の速度を正確に測定し、測定された結果に基づいて流体の速度を調節することができる流体速度測定装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の一実施例によれば、流体が流れることができる通路が設けられたチャンネルと、前記チャンネルの上方又は下方の何れか一つの領域に位置する第１の光源及び第２の光源と、前記チャンネルを基準に前記第１の光源及び第２の光源が位置する領域の反対領域に設けられて前記第１の光源及び前記第２の光源から発光された光を受光するセンサーと、前記センサーで受光した光の強さを利用して前記流体の速度を算出する速度算出部と、を含む流体速度測定装置が開示される。

本発明の一実施例による流体速度測定装置は、低い生産コストの２つの光源とセンサーとを利用して、全てのユーザが容易に設置して簡単に使用することができる。
本発明の一実施例によれば、低い生産コストでありながら測定の精度が高い。

本発明の一実施例に係る流体速度測定装置を示す図面である。 本発明の一実施例に係る流体速度測定装置を示す図面である。 本発明の一実施例に係る流体速度測定装置を通じて流体の速度測定の原理を説明するためのグラフである。 本発明の他の一実施例に係る流体速度測定装置を示す図面である。 本発明の一実施例に係る流体速度測定装置を通じて、流体の速度測定及び流速制御の原理を説明するためのグラフである。 本発明の一実施例に係る流体速度測定装置を通じて、流体の速度測定及び流速制御の原理を説明するためのグラフである。 本発明の一実施例に係る流体速度測定装置を通じて、流体の速度測定及び流速制御の原理を説明するためのグラフである。

以下では、本発明の一実施例に係る流体速度測定装置について、図面を参照して説明する。
本明細書において使用される単数の表現は、文脈上明らかに異なる意味でない限り複数の表現を含む。本明細書において、「構成される」又は「含む」などの用語は、明細書上に記載された様々な構成要素、又は様々な段階を必ず全て含むものと解釈されてはならず、そのうち一部の構成要素又は一部の段階は含まれないことも可能であり、あるいは追加の構成要素又は段階をさらに含むことが可能であると解釈されるべきである。
本明細書に記載された流体の速度は、流体がチャンネルに満たされる速度を意味することができる。また、本明細書での流速制御は、流体がチャンネルに満たされる過程においての流速を制御することを意味することができる。

図１〜図２は、本発明の一実施例に係る流体速度測定装置を示す図面である。
図示したように、流体速度測定装置１００は、チャンネル１１０、第１の光源１２１、第２の光源１２２、センサー１３０、及び速度算出部１４０を含むことができる。

前記チャンネル１１０には、流体が流れることができる通路が設けられている。前記流体は、マイクロ流体を含むことができ、検体に成り得る。検体とは、検出対象溶液を意味するものであって、分析物質を含有するものと疑われる物質を意味する。例えば、検体は、血液、唾液、脳脊髄液、汗、尿、母乳、腹水、粘液、鼻液（ｎａｓａｌ ｆｌｕｉｄ）、喀血、関節血液、腹腔液、又はその他などを含んで、生理的流体のような任意の生物学的供給源（例えば、人、動物など）から起因することができる。

また、検体は、生物学的供給源から直接取得して使用することができ、または検体の特性を改質する前処理が実施されて使用することができる。前処理としては、ろ過、沈殿、希釈、混合、濃縮、干渉成分の不活性化、溶解（ｌｙｓｉｓ）、及び試薬添加などの操作を含むことができる。一例として、血液から血漿を分離する措置などを実施することができる。

前記第１の光源１２１及び第２の光源１２２は、前記チャンネル１１０の上方領域に位置し、センサー１３０を、前記チャンネルの下方領域に設けることができる。
図示していないが、第１の光源１２１及び第２の光源１２２は、前記チャンネル１１０の下方領域に位置し、センサー１３０を、前記チャンネルの上方領域に設けることもできる。即ち、本発明の一実施例によれば、前記チャンネル１１０を基準として第１の光源１２１及び第２の光源１２２が位置している領域と反対側の領域にセンサー１３０が設けられればよい。

第１の光源１２１及び第２の光源１２２は、前記チャンネル１１０に対して９０度以外の所定の角度をなして光が入射するように位置させることができる。第１の光源１２１及び第２の光源１２２から発光される光が、前記チャンネル１１０に対して９０度をなして入射すると、光の反射や散乱などの光が広がる現象が発生して測定の感度が低下する可能性がある。

また、第１の光源１２１及び第２の光源１２２が相互になす角度が平行しないように位置することができる。第１の光源１２１及び第２の光源１２２が角度１８０度をなすと（つまり、平行になると）、第１の光源１２１及び第２の光源１２２から発光された光を受光するためのセンサー１３０のサイズを大きくする必要があるため、コストが増加する。

また、前記第１の光源１２１と前記第２の光源１２２とが前記チャンネル１１０に対してなす角度及び方向は、調節が可能である。
図２は、図１において第１の光源１２１及び第２の光源１２２がチャンネル１１０に対してなす角度を調節した例を示す。

例えば、第１の光源１２１及び第２の光源１２２から発光されるレーザーの種類に応じて、第１の光源１２１及び第２の光源１２２の角度及び方向の調節が可能である。また、チップ支持（図示せず）の構造、又はチップの形状に応じて、第１の光源１２１及び第２の光源１２２の角度及び方向の調節が可能である。

前記センサー１３０は、チャンネル１１０の下方領域に設けられて前記第１の光源１２１及び第２の光源１２２から発光された光を受光することができる。前記センサー１３０は、二つの光源１２１、１２２から発光された光を全て受光するように設けられることができる。即ち、本発明の一実施例による流体速度測定装置は、一つのセンサーが二つの光源の光を全て受光する構造を有することによって、コストを節減することができる。

一方、本発明の一実施例によれば、前記第１の光源１２１及び前記第２の光源１２２から発光された光が、前記チャンネル１１０の下方領域で相互に交差した後、前記センサー１３０に受光されるように、前記第１の光源１２１、第２の光源１２２、及び前記センサー１３０を位置させることができる。上記のように、チャンネル１１０の下方領域で交差した光が前記センサー１３０に受光されるように構成することによって、センサー１３０のサイズを減らすことができる。

また、前記センサー１３０と前記チャンネル１１０との間の距離（ｋ）が大きいほどセンサー１３０が受光する光の強度が弱くなるので、測定の精度が低下する可能性がある。従って、マイクロ流体の種類及び光源との距離などを考慮して、距離（ｋ）は、０．１ｍｍ〜１０ｍｍにすることが好ましい。

また、前記第１の光源１２１から発光した光が前記チャンネル１１０と会う第１の入射地点と、前記第２の光源１２２から発光した光が前記チャンネル１１０と会う第２の入射地点と、の間の距離（ｄ）によって、前記センサー１３０のサイズを変えることができる。従って、測定されたマイクロ流体であることなどを考慮して、前記距離（ｄ）は１ｍｍ〜１０ｍｍにすることができる。

速度測定部１４０は、前記センサー１３０で受光した光の強さを利用して、流体の速度を測定することができる。
図３は、本発明の一実施例に係る流体速度測定装置を通じて流体の速度測定の原理を説明するためのグラフである。

図示されたグラフは、縦軸と並行な点線によって３つの領域に区分することができる。左側の領域は、最初にチャンネル１１０の内部に流体が流れないため、第１の光源１２１及び第２の光源１２２から発光された２つの光が全て屈折されずに前記センサー１３０に受光された状態を示す。

中央の領域は、チャンネル１１０の内部に流体が一部の領域まで流れ、第１の光源１２１から発光された光は屈折されてセンサー１３０に受光されるが、第２の光源１２２から発光された光は全て屈折されずに前記センサー１３０に受光された状態を示す。右側の領域は、チャンネル１１０の内部に流体が十分に流れ、第１の光源１２１及び第２の光源１２２から発光された２つの光が全て屈折されて前記センサー１３０に受光された状態を示す。

図３のグラフで確認できるように、光の強さは、第１屈折時点（第１の光源の光の屈折が開始される時点）及び第２屈折時点（第２の光源の光の屈折が開始される時点）で光の強さの変化が起きる。

前記屈折時点の差（ｔｉｍｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）を流体が距離ｄを流れる時間（ｔ）で測定することができる。
速度算出部１４０は、前記時間（ｔ）と距離ｄを用いて、流体の速度を算出することができる。
一方、本発明の一実施例によれば、流体速度測定装置は測定された流体の速度に基づいて流体の流速を調節することができる。

図４は、本発明の他の一実施例に係る流体速度測定装置を示す図面である。
図示したように、流体速度測定装置２００は、チャンネル２１０、第１の光源２２１、第２の光源２２２、センサー２３０、速度算出部２４０、及び調節部２５０を含むことができる。

前記チャンネル２１０には、流体が流通することができる通路が設けられている。前記流体は、マイクロ流体を含むことができ、検体に成り得る。
前記第１の光源２２１及び第２の光源２２２は、前記チャンネル２１０の上方領域に位置し、センサー２３０は、前記チャンネルの下方領域に設けられることができる。

図示していないが、第１の光源２２１及び第２の光源２２２は、前記チャンネル２１０の下方領域に位置し、センサー２３０を、前記チャンネルの上方領域に設けることもできる。即ち、本発明の一実施例によれば、前記チャンネル２１０を基準として、第１の光源２２１及び第２の光源２２２が位置している領域と反対側の領域にセンサー２３０を設ければよい。

第１の光源２２１及び第２の光源２２２は、前記チャンネル２１０に対して９０度以外の所定の角度をなして光が入射するように位置することができる。第１の光源２２１及び第２の光源２２２から発光された光が、前記チャンネル２１０に対して９０度をなして入射すると、光の反射や散乱などの光が広がる現象が発生して測定の感度が低下する可能性がある。

また、第１の光源２２１及び第２の光源２２２が相互になす角度が平行しないように位置させることができる。第１の光源２２１及び第２の光源２２２が角度１８０度をなすと（即ち、平行になると）、第１の光源２２１及び第２の光源２２２から発光された光を受光するためのセンサー２３０のサイズを大きくする必要があるため、コストが増加する。

また、前記第１の光源２２１と前記第２の光源２２２とが前記チャンネル２１０に対してなす角度及び方向は、調節が可能である。
例えば、第１の光源２２１及び第２の光源２２２から発光されるレーザーの種類に応じて、第１の光源２２１及び第２の光源２２２の角度方向の調節が可能である。また、チップ支持（図示せず）の構造、又はチップの形状に応じて、第１の光源２２１及び第２の光源２２２の角度及び方向の調節が可能である。

前記センサー２３０は、チャンネル２１０の下方領域に設けられて前記第１の光源２２１及び第２の光源２２２から発光された光を受光することができる。前記センサー２３０は、二つの光源２２１、２２２から発光された光が全て受光されるように設けることができる。即ち、本発明の一実施例による流体速度測定装置は、一つのセンサーが二つの光源の光を全て受光する構造を有することによって、コストを節減することができる。

一方、本発明の一実施例によれば、前記第１の光源２２１及び前記第２の光源２２２から発光された光が、前記チャンネル２１０の下方領域で相互に交差された後、前記センサー２３０に受光されるように、前記第１の光源２２１、第２の光源２２２及び前記センサー２３０を配置することができる。上記のように、チャンネル２１０の下方領域で交差された光が、前記センサー２３０に受光されるようにすることによって、センサー２３０のサイズを減らすことができる。

速度測定部２４０は、前記センサー２３０で受光した光の強さを利用して、流体の速度を測定することができる。流体の速度測定は、図３の説明をそのまま適用することができる。
調節部２５０は、算出された流体の速度に基づいて流れる流体の流速を調節することができる。前記調節部２５０は、ベントホール部２５１、チューブ２５２、バルブ２５３、及び制御部２５４を含むことができる。

前記ベントホール部２５１は、前記チャンネル２１０の外部に接続されて前記チャンネル２１０の内部の空気を外部に排出することができる。
バルブ２５３は、前記ベントホール部２５１の入口部にチューブ２５２を介して接続され、予め設定した時間に応じて前記ベントホール部２５１の入口部を開閉させることができる。

また、制御部２５４は、前記バルブ２５３の動作を制御することができる。例えば、制御部２５４は、前記算出された流体の速度に基づいて、前記バルブ２５３にオン（ｏｎ）信号及びオフ（ｏｆｆ）信号を印加することができる。具体的には、制御部２５４は、前記オン信号と前記オフ信号とが印加される時間、印加される回数、及び印加される順序などを決定することができる。特に制御部２５４には、前記流体の流速に応じたバルブ２５３の前記オン信号と前記オフ信号の印加される時間、印加される回数、及び印加される順序などがテーブル化されて格納することができる。

一方、上記のように、前記流体の流速に応じてバルブ２５３の前記オン信号と前記オフ信号とが決定されると、制御部２５４はバルブ２５３を制御することができる。具体的には、制御部２５４は、前記オン信号と前記オフ信号とを交互にバルブ２５３に印加することができる。

また、制御部２５４は、前記オン信号が印加される時間と前記オフ信号が印加される時間とが互いに異なるように設定することができる。具体的には、前記オン信号が印加される時間は、前記オフ信号が印加される信号よりも短く設定することができる。

例えば、制御部２５４は、前記流体の流速が第１流速である場合には、前記オン信号を第１の時間の間バルブ２５３に印加することができる。また、制御部２５４は、前記オフ信号を第２の時間の間バルブ２５３に印加することができる。この時、前記第１の時間と前記第２の時間とは、上述したように、互いに異なるように形成することができる。

図５は、本発明の一実施例に係る流体速度測定装置を通じて流速制御の原理を説明するためのグラフである。
ｔｐは、バルブの開閉時間の合計であって、単位サイクル時間を示す。ｔｐ＝バルブが開く時間（ｔｏ）＋バルブが閉まる時間（ｔｃ）である。ｖは、測定された流速を意味する。

チャンネル２１０と接続されるベントホール部２５１が閉まると、チャンネル２１０の内部を流動する物質にはチャンネル２１０内部の空気により空気の圧力が加えられ、空気の圧力による抵抗がチャンネルによる毛細管力と同一になると、チャンネル内部の物質は移動できなくなる可能性がある。そして、時間の流れに沿って流体の粘度が変化するため、変化する流体の粘度を考慮して流速を調節することができる。

図６は、ｔｐが一定である時、流速と時間の関係を示し、図７は、測定された流速と流体の移動距離との関係を示す。
流速が速ければ、同じオープン時間でも移動距離が多くなるため、開く時間を減らし、閉まる時間を増加させなければならない。また、流速が速くなるほど単位時間当たりの移動距離が増えるため、開く時間を調整することによって流速を一定にしなければならない。
上述したように、本発明の一実施例による流体の速度測定は、光の屈折率を利用するため透明な流体にも適用可能である。

上述した流体の速度測定及び流速制御方法は、様々なコンピュータ手段を通じて実行できるプログラム命令形態で具現されて、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されることができる。このとき、コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、プログラム命令、データファイル、データ構造などを単独又は組み合わせて含むことができる。一方、記録媒体に記録されるプログラム命令は、本発明のために特別に設計されて構成されたものであることも、又はコンピュータソフトウェア当業者に公知されて使用可能なものであることもできる。

コンピュータで読み取り可能な記録媒体には、ハードディスク、フロッピーディスク、及び磁気テープのような磁気媒体（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｅｄｉａ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなどの光記録媒体（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｅｄｉａ）、フロップティカルディスク（Ｆｌｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｓｋ）のような磁気−光媒体（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｅｄｉａ）、及びロム（ＲＯＭ）、ラム（ＲＡＭ）、フラッシュメモリなどのようなプログラム命令を格納して実行するように特別に構成されたハードウェアデバイスが含まれる。

一方、このような記録媒体は、プログラム命令、データ構造などを指定する信号を伝送する搬送波を含む光又は金属線、導波管などの伝送媒体であることもできる。
また、プログラム命令は、コンパイラによって作られるような機械語コードだけでなく、インタプリタなどを使用してコンピュータによって実行されることができる高級言語コードを含む。上述したハードウェアデバイスは、本発明の動作を実行するために１つ以上のソフトウェアモジュールとして動作するように構成されることができ、その逆も同様である。

上述した流体の速度測定装置は、上記説明した実施例の構成と方法とが限定されるように適用されるものではなく、前記実施例は、様々な変形が行われるように、各実施例の全部又は一部が選択的に組み合わされて構成することもできる。

１００、２００ 流体速度測定装置
１１０、２１０ チャンネル
１２１、１２２、２２１、２２２ 光源
１３０、２３０ センサー
１４０、２４０ 速度算出部
２５０ 調節部
２５１ ベントホール部
２５２ チューブ
２５３ バルブ
２５４ 制御部

Claims (6)

1. 流体が流れることができる通路が設けられたチャンネルと、
   前記チャンネル上方又は下方の何れか一つの領域に位置する第１の光源及び第２の光源と、
   前記チャンネルを基準に、前記第１の光源及び前記第２の光源が位置する領域の反対領域に設けられて、前記第１の光源及び前記第２の光源から発光された光を受光するセンサーと、
   前記センサーから受光した光の強さを利用して前記流体の速度を算出する速度算出部と、
   を含み、
   前記速度算出部は、
   前記光の強さの変化時点及び前記第１の光源から発光された光が前記チャンネルと会う第１の入射地点、及び前記第２の光源から発光された光が前記チャンネルと会う第２の入射地点間の距離情報を利用して、前記流体の速度を算出すること、を特徴とする流体速度測定装置。
2. 前記第１の光源と前記第２の光源とが前記チャンネルに対してなす角度は、調節可能であることを特徴とする請求項１に記載の流体速度測定装置。
3. 前記センサーのサイズは、
   前記チャンネルと前記センサーとの間の距離に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の流体速度測定装置。
4. 前記第１の光源及び前記第２の光源は、前記チャンネルを通じて形成された流体の流れ方向に対して発光される光が垂直に入射しないように位置されることを特徴とする請求項１に記載の流体速度測定装置。
5. 前記第１の光源及び前記第２の光源は、前記第１の光源から発光された光と前記第２の光源から発光された光が互いに平行にならないように位置されることを特徴とする請求項１に記載の流体速度測定装置。
6. 前記第１の光源及び前記第２の光源から発光された光は、
   前記反対領域で相互に交差した後、前記センサーに受光されることを特徴とする請求項５に記載の流体速度測定装置。

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