JP2022026104A - 流体デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、非特許文献1に開示される流体デバイスは、流路が形成された流路基板(ガラス基板)と、流路基板に設けられた圧電素子とを備えている。圧電素子で生じた超音波は、流路基板を介して流路内に伝達され、流路内の流体に定在波を生じさせる。流体中の微粒子は、定在波により形成される流体の圧力勾配により、流路内の所定範囲に収束する。
以下、図1および図2を参照し、第1実施形態の流体デバイス10について説明する。
図1は、第1実施形態の流体デバイス10の一部を模式的に示す断面図であり、図2は、図1のA-A線矢視断面図である。
流体デバイス10は、内部に流路20などが形成された流路基板30と、流路基板30に設けられた超音波送信部40とを備える。
この流体デバイス10では、超音波送信部40が、流路20を流通する流体Sに対して超音波を加えることで、流体Sの流通方向に直交する一方向に沿って、任意のモード次数の定在波SWを発生させる。流体S中に分散している微粒子Mは、流路20内を流通する過程で、定在波SWにより形成される圧力勾配の影響を受け、流路20内の所定範囲に収束する。
このような流体デバイス10では、例えば、流路20のうち、微粒子Mが収束される範囲の流体Sを選択的に流通させる濃縮用流路と、それ以外の範囲の流体Sを選択的に流通させる排出用流路とを設けることにより、流体Sにおける微粒子Mの濃度を濃縮することができる。
図1および図2を参照し、流体デバイス10の概略構成を説明する。
流路基板30は、内部に流路20(第1流路)、圧力室51および連通路52(第1連通路)が形成された基板である。この流路基板30は、例えば、流路20、圧力室51および連通路52に対応する溝部を有する一対の基板を互いに接合することで作成できる。流路基板30を構成する各基板としては、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。
なお、図示を省略するが、流路基板30には、流体Sを流路20に注入するための注入口と、流路20から流体Sを排出するための1以上の排出口とが設けられる。
以下、流体Sの流通方向をX方向とし、流路20の幅方向をY方向とし、流路20の深さ方向をZ方向とする。X,Y,Z方向は、互いに直交する。
連通路52は、流路基板30の側方壁部33の内部に形成され、圧力室51と流路20とを連通する流路である。連通路52は、Y方向に沿って形成され、流路20の側部に接続されている。
流路20は、連通路52を介して圧力室51に接続されており、流路20を流通する流体Sは、圧力室51内に流入する。圧力室51内は、流体Sにより満たされる。
超音波送信部40は、この貫通孔331を塞ぐように流路基板30に設けられることにより、圧力室51の壁部の一部を成す。
素子基板41は、Si等の半導体基板で構成される。本実施形態の素子基板41は、流路基板30の貫通孔331内において、素子基板41の厚み方向がY方向に沿うように配置され、素子基板41の外周面は、流路基板30の貫通孔331の内周面に対して液密に接している。
また、素子基板41には、素子基板41の厚み方向に沿って素子基板41を貫通する開口部411が設けられている。
また、振動膜42のうち、素子基板41の厚み方向から見た際に開口部411と重なる部分は、超音波の送信を行う振動部421を構成する。振動部421が有する一対の面のうち、開口部411側に面する面は、圧力室51から開口部411内に流入する流体Sに接する流体接触面422となる。すなわち、振動部421は、圧力室51内の流体Sに接する流体接触面422を有する。
ここで、振動膜42は、振動膜42の厚み方向(流体接触面422の法線方向)がY方向に沿うように配置される。
この超音波素子44では、圧電素子43が図示を省略する駆動部に接続されており、この駆動部から圧電素子43に駆動信号が入力されると、下部電極と上部電極との間に電圧が印加され、圧電膜が伸縮する。これにより、振動部421は、振動部421の短辺方向の寸法W(開口部411の開口幅)などに応じた所定の発振周波数で、流体接触面422の法線方向に撓み振動する。振動部421の撓み振動は、流体Sの粗密波に変換されることで超音波の伝搬が行われる。
振動部421から圧力室51内の流体Sに伝搬された超音波は、振動部421を中心に放射状に拡散され、このうちY方向に向かって進む超音波が、圧力室51から連通路52を介して流路20内に到達し、流路20の内壁で反射を繰り返すことで、流路20内に定在波SW(第1定在波)を発生させる。
圧電素子43が駆動される際、振動部421に撓み振動を生じさせる横波だけでなく、振動部421の内部を伝搬される縦波が発生する。
仮に、振動部421の厚みtが、縦波の波長λよりも大きい場合、振動部421内に縦波が支配的になり、振動部421から流体Sへの超音波の伝搬効率が低下してしまう。すなわち、音響インピーダンスのマッチングが取れていない状態と等しくなってしまう。
また、仮に、振動部421の厚みtが縦波の波長λよりも小さい場合であっても、縦波は振動膜42内に若干ながら発生する。特に、振動部421の厚みtがλ/4と等しい場合には、振動部421が縦波の音響整合層として機能し、振動部421内で発生する縦波が流体Sへ伝搬され易くるが、縦波での音響射出の場合、横波での音響射出の場合と比較して、振動部421から流体Sへの超音波の伝搬効率が低下してしまう。
上記式(4)によれば、上記式(3)は、以下の式(5)で表される。
上記式(1)、(5)によれば、振動部421の厚みtは、以下の式(6)を満たす。
ここで、振動部421を構成する膜の数をmとし、振動部421を構成する各膜の厚みをtk(k=1,2,・・・m)とし、振動部421を構成する各膜における縦波音速の平均をCk(k=1,2,・・・m)とする場合、以下の式(7)が成り立つ。
ただし、振動部421の厚みtが小さくなり過ぎると、振動部421の厚み方向への応力勾配が大きくなるため、圧電素子43が駆動される際、振動部421に破損が生じる可能性が高くなる。
そこで、本実施形態では、振動部421の短辺方向の寸法Wと振動部421の厚みtを変化させて圧電素子43を駆動させる実験を行った結果、振動部421の厚みtが、以下の式(10)を満たすことが好ましい。
また、diは、以下の式(13)によって表わされる。
振動部の短片方向の寸法W:19μm
流路幅L:375μm
流体Sの媒質の音速C:1500m/s
定在波SWのモード次数n:1
振動膜42:SiO2膜とZrO2膜との2層構造
SiO2膜の膜厚t1:0.35μm
ZrO2膜の膜厚t2:0.15μm
SiO2のヤング率E1:75GPa
ZrO2のヤング率E2:190GPa
SiO2の音速C1:5900m/s
ZrO2の音速C2:4650m/s
流路20の内部にY方向の定在波SWが生じた場合、音圧が最大になる腹Aと、音圧が0になる節NとがY方向に沿って周期的に現れる。なお、流路20のY方向の両端部のそれぞれは腹Aとなる。
例えば、図2に示すように、1次モードの定在波SWが生じた場合、流路20のY方向中央部に節Nが現れ、流路20のY方向両端部のそれぞれに腹Aが現れる。この場合、流体S中に分散している微粒子Mは、流路20内を流通する過程で、定在波SWの節Nに対応する範囲、すなわち流路20のY方向中央部へ収束する(音響集束)。
なお、流路20の流路幅をL、定在波SWのモード次数をnとするとき、各節領域RNは、各節Nの中心からY方向に±L/4nまでの範囲とし、各腹領域RAは、それ以外の範囲とする。
この場合、連通路52は、流路20のうち、定在波SWにおける任意の腹Aに対応する腹領域RAに接続される。これにより、圧力室51から連通路52を介して流路20に伝達される超音波は、流路20内の腹領域RAに加えられる。
なお、図2は、1次モードの定在波SWを例示しているが、本実施形態で発生させる定在波SWは、1次モード以上であればよい。定在波SWにおける腹領域RAおよび節領域RNは、流路20内に発生させる定在波SWのモード次数や流路20のY方向の寸法などに基づいて決定できる。
本実施形態では、1つの圧力室51に対して2つの連通路52がX方向に間隔をあけて設けられており、各連通路52が圧力室51と流路20とを連通している。これにより、各連通路52のX方向の寸法は、圧力室51のX方向の寸法よりも小さい。なお、連通路52の数は、2つに限られず、1つ以上であればよい。
また、連通路52のZ方向の寸法は、圧力室51のZ方向の寸法以下であり、かつ、流路20のZ方向の寸法以下である。
上記式(16),(17)が満たされる場合、連通路52から流路20内に照射された超音波が流路20の壁面で反射されて連通路52に戻ってきたとき、超音波のビーム幅が連通路52の幅Wrよりも大きくなる。すなわち、超音波のビーム幅が連通路52の幅Wrよりも大きく広がった状態になる。
また、上記の式(18)において、Srは、全ての連通路52のY方向に直交する流路断面積[m2]であり、Lは、流路幅[m]であり、nは、定在波SWのモード次数であり、Sbは、振動部421の流体接触面422の面積[m2]であり、δは、振動時における振動部421の変位量[m]である。
上記式(18)が満たされる場合、連通路52がY方向に面する流路20内の範囲の体積を定在波SWのモード次数nで割った値が、振動部421の撓み振動によって生じる圧力室51の体積の最大変動量以上になる。
以上に説明したように、本実施形態の流体デバイス10は、流体Sが流通する流路20と、流路20内の流体Sの流通方向(X方向)に直交する第1方向(Y方向)において流路20との間に間隔を空けて形成された圧力室51と、Y方向に沿って形成され、流路20と圧力室51とを連通する連通路52と、圧力室51内に流入した流体Sに接触して当該流体Sに超音波を送信することで、流路20内の流体Sに対してY方向に沿って定在波SWを発生させる超音波送信部40と、を備える。
比較例の流体デバイス10Aは、本実施形態のような圧力室51および連通路52を備えず、超音波送信部40が流路20内の流体Sに面している。このような比較例では、流路20内で反射された超音波が超音波送信部40にまでダイレクトに帰ってくる。このため、超音波送信部40から送信される超音波は、流路20内で反射されて帰ってくる超音波に撃ち負けることで弱まってしまい、流路20内の超音波の音響パワーを重畳させることが困難である。すなわち、流路20内の超音波の音響パワーは、最初に送信された超音波の音響パワーによって決定されてしまい、音響パワーの継ぎ足しが困難である。
このような構成によれば、流路20の壁面で反射された超音波の一部は、連通路52を介して超音波送信部40にまで帰ってくるが、当該超音波の残りの部分は、流路20の壁面で再度反射する。このため、超音波送信部40から送信される超音波が流路20で反射されて帰ってくる超音波によって弱まることを抑制し、圧力室51内の圧力を高め、流路20内に音響パワーを継ぎ足すことができる。
よって、本実施形態では、流路20内に大きな音響パワーの定在波を容易に発生させることができる。これにより、圧電素子43に加える駆動電圧および駆動周波数を従来よりも低く設定することができると共に、定在波SWを発生させる流路20の幅を従来よりも広く構成することができる。その結果、流体デバイス10を用いて処理できる流体Sの体積流量を大量化することができる。
これにより、流路20内において、Z方向に定在波が発生することを抑え、Y方向の定在波SWを好適に発生させることができる。
このような構成では、超音波送信部40から送信される超音波が連通路52を介して流路20内の腹領域RAに加えられるため、流路20内における定在波SWの発生効率を向上させることができる。
このような構成では、振動部421の撓み振動が流体Sの粗密波に変換されることで、流体Sに対して超音波を効率的に送信することができる。
このような構成によれば、超音波素子44からの超音波の主な送信方向と、流路20内で定在波SWを合成する超音波の伝搬方向とが一致する。これにより、定在波SWの形成効率をより向上させることができる。
このような構成によれば、振動部421内での縦波の発生や振動部421から流体Sへの縦波の伝搬が抑制され、振動部421と、振動部421に接する流体Sとの間の音響インピーダンスのマッチングが取れたことに等しい状態になる。その結果、超音波素子44から流体Sへの超音波の伝搬効率を向上させることができる。
次に、第2実施形態について説明する。以下では、第1実施形態と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する場合がある。
具体的には、第2実施形態の流路基板30には、第1実施形態の側方壁部33における貫通孔331の替わりに、流路基板30の上側壁部31のうち圧力室51の壁部となる部分をZ方向に貫通する貫通孔311が設けられている。
超音波送信部40は、流路基板30の貫通孔311を塞ぐように流路基板30に設けられることにより、圧力室51の壁部の一部を成している。
超音波送信部40の素子基板41は、流路基板30の貫通孔311内において、素子基板41の厚み方向がZ方向に沿うように配置され、素子基板41の外周面は、流路基板30の貫通孔311の内周面に対して液密に接している。
このような第2実施形態の流体デバイス10Bにおいても、圧力室51および連通路52は、上述の式(15)~(17)を満たすように構成される。
以上の第2実施形態によれば、第1実施形態の流体デバイス10と同様の効果を奏することができる。
また、第2実施形態において、超音波送信部40は、振動膜42の厚み方向が流路基板30の厚み方向(Z方向)に沿うように配置されるため、振動膜42や圧電素子43を形成する際にMEMS技術を容易に利用することができる。
次に、第3実施形態について説明する。
図6は、第3実施形態の流体デバイス10Cの一部を模式的に示す断面図である。図6に示すように、第3実施形態の流体デバイス10Cは、上述の第1,第2実施形態と比べて流路20の数が異なる。すなわち、第3実施形態の流体デバイス10Cは、流路基板30内に形成された2つの流路である第1流路20Aおよび第2流路20Bを備える。
なお、第1流路20Aおよび第2流路20Bは、それぞれ、上述の第1,第2実施形態で説明した流路20と同様の構成を有する。例えば、第1流路20Aおよび第2流路20Bは、それぞれ、上述した式(1)および式(2)を満たすように形成される。
第3実施形態における第1連通路52Aおよび第2連通路52Bは、それぞれ、Y方向に沿って形成され、上述の第2実施形態で説明した連通路52と同様の構成を有する。例えば、第1連通路52Aおよび第2連通路52Bは、それぞれ、上述の式(15)~式(17)を満たすように構成される。
以上の第3実施形態によれば、第1、第2実施形態の流体デバイス10と同様の効果を奏することができる。
なお、第3実施形態では、第1、第2実施形態の流路20に発生する定在波SWと比べて、第1流路20Aおよび第2流路20Bのそれぞれで発生する定在波の音波エネルギーは小さくなる。
だだし、第3実施形態によれば、1つの圧力室51から2つの流路である第1流路20Aおよび第2流路20Bに超音波を伝搬させることができるため、流路基板30における流路密度を向上させることができる。
次に、第4実施形態について説明する。
図7は、第4実施形態の流体デバイス10Dの一部を模式的に示す断面図である。図7に示すように、第4実施形態の流体デバイス10Dは、上述の第3実施形態と同様、流路基板30内に形成された2つの流路である第1流路20Cおよび第2流路20Dを有する。ただし、第4実施形態における第1流路20Cおよび第2流路20Dの各配置は、第3実施形態における第1流路20Aおよび第2流路20Bの各配置とは異なる。
なお、第1流路20Cおよび第2流路20Dは、それぞれ、上述の第1,第2実施形態で説明した流路20と同様の構成を有する。例えば、第1流路20Cおよび第2流路20Dは、それぞれ、上述した式(1)および式(2)を満たすように形成される。
第4実施形態における第1連通路52Cおよび第2連通路52Dは、それぞれ、Y方向に沿って形成され、上述の第2実施形態で説明した連通路52と同様の構成を有する。例えば、第1連通路52Cおよび第2連通路52Dは、それぞれ、上述の式(15)~式(17)を満たすように構成される。
また、第1流路20C内に到達した超音波のうちの一部は、さらに第2連通路52Dを介して第2流路20D内に到達し、第2流路20Dの内壁で反射を繰り返すことで、第2流路20D内にY方向の第2定在波を発生させる。
以上の第4実施形態によれば、第1、第2実施形態の流体デバイス10と同様の効果を奏することができる。
なお、第4実施形態では、第1、第2実施形態の流路20に発生する定在波SWと比べて、第1流路20Cおよび第2流路20Dのそれぞれで発生する定在波の音波エネルギーは小さくなる。
だだし、第4実施形態によれば、1つの圧力室51から2つの流路である第1流路20Cおよび第2流路20Dに超音波を伝搬させることができるため、流路基板30における流路密度を向上させることができる。
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、および各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
上記各実施形態では、超音波送信部40が1個の超音波素子44を有する例を説明しているが、超音波送信部40は、複数の超音波素子44を有してもよい。
例えば、図8は、上記第2実施形態の変形例に係る流体デバイス10Eを模式的に示す断面図である。この流体デバイス10Eは、複数の超音波素子44を含んで構成された超音波送信部40Aを有する。この超音波送信部40Aでは、素子基板41に対して複数の開口部411がアレイ状に設けられており、素子基板41に設けられる振動膜42のうちの各開口部411に重なる部分が振動部421を構成する。また、各振動部421と、各振動部421に設けられた圧電素子43とによって、複数の超音波素子44が構成される。各超音波素子44は、圧力室51内の流体Sに接触する流体接触面422を有する。このような変形例によれば、圧力室51内の圧力を向上させることが容易になる。
なお、超音波送信部40が複数の超音波素子44を有する場合、上記式(16)および式(17)におけるSbは、複数の超音波素子44の流体接触面422の合計面積とする。
上記各実施形態で説明した超音波送信部40の具体的構成は、様々な変形が可能である。
例えば、素子基板41は、流路基板30の貫通孔311,331の外側に配置されてもよい。この場合、素子基板41の開口部411が流路基板30の貫通孔311,331に重なるように配置され、素子基板41の下面が流路基板30に対して液密に接着される。
また、超音波送信部40は、素子基板41を備えず、振動膜42は、流路基板30に設けられてもよい。この場合、振動膜42のうち流路基板30の貫通孔311,331に重なる部分が振動部421を構成する。
上記各実施形態では、流体Sの流通方向に直交する第1方向として、流路20の幅方向(Y方向)に定在波SWを発生させるが、流路20の深さ(Z方向)に定在波SWを発生させてもよい。この場合、上記各実施形態で説明したY方向をZ方向に置き換えた構成が可能である。
本開示の一態様に係る流体デバイスは、流体が流通する第1流路と、前記第1流路内の前記流体の流通方向に直交する第1方向において前記第1流路との間に間隔を空けて形成された圧力室と、前記第1方向に沿って形成され、前記第1流路と前記圧力室とを連通する第1連通路と、前記圧力室内に流入した前記流体に接触して当該流体に超音波を送信することで、前記第1流路内の前記流体に対して前記第1方向に沿って第1定在波を発生させる超音波送信部と、を備える。
このような構成では、超音波送信部が流体に接触するため、超音波送信部から流体までの超音波の伝搬経路に他の部材が介在しない。これにより、超音波送信部から流体へ超音波がダイレクトに伝達され、流路内に定在波を発生させることが容易になる。
また、流路の壁面で反射された超音波の一部は、連通路を介して超音波送信部にまで帰ってくるが、当該超音波の残りの部分は、流路の壁面で再度反射する。このため、超音波送信部から送信される超音波が流路で反射されて帰ってくる超音波により弱まることを抑制し、圧力室内の圧力を高め、流路内に音響パワーを継ぎ足すことができる。
以上の構成によれば、流路内に大きな音響パワーの定在波を容易に発生させることができる。これにより、超音波送信部に加える駆動電圧および駆動周波数を従来よりも低く設定することができると共に、定在波を発生させる流路の幅を従来よりも広く構成することができる。その結果、流体デバイスを用いて処理できる流体Sの体積流量を大量化することができる。
このような構成では、超音波のビーム幅が連通路の幅よりも大きく広がった状態になるため、振動部に帰ってくる超音波の割合を抑制する効果を好適に発揮することができる。これにより、超音波送信部から送信される超音波が弱まることを好適に抑制できる。
これにより、第1流路内において、第2方向に定在波が発生することを抑え、第1方向の定在波を好適に発生させることができる。
このような構成では、超音波送信部から送信される超音波が連通路を介して流路内の腹領域に加えられるため、流路内における定在波の発生効率を向上させることができる。
このような構成では、振動部の撓み振動が流体の粗密波に変換されることで、流体に対して超音波を効率的に送信することができる。
このような構成によれば、圧力室内の圧力の過上昇を抑制できるため、振動膜や圧電素子が破損することを抑制できる。
このような構成によれば、超音波素子からの超音波の主な送信方向と、流路内で定在波を合成する超音波の伝搬方向とが一致する。これにより、定在波の形成効率をより向上させることができる。
このような構成では、振動部内での縦波の発生や振動部から流体への縦波の伝搬が抑制され、振動部と、振動部に接する流体との間の音響インピーダンスのマッチングが取れたことに等しい状態になる。その結果、超音波素子から流体への超音波の伝搬効率を向上させることができる。
このような構成では、1つの圧力室から2つの流路である第1流路および第2流路に超音波を伝搬させることができるため、流体デバイスにおける流路密度を向上させることができる。
また、本態様に係る流体デバイスにおいて、前記第2流路は、前記圧力室に対して前記第1流路とは反対側に配置されることが好ましい。
このような構成によれば、流体デバイスを小型化することが容易になる。
このような構成では、1つの圧力室から2つの流路である第1流路および第2流路に超音波を伝搬させることができるため、流体デバイスにおける流路密度を向上させることができる。
また、本態様に係る流体デバイスにおいて、前記第2流路は、前記第1流路に対して前記圧力室とは反対側に配置されることが好ましい。
このような構成によれば、圧力室から第1流路に伝搬された超音波を、さらに第2流路に向かって効率的に伝搬させることができる。
Claims (12)
- 流体が流通する第1流路と、
前記第1流路内の前記流体の流通方向に直交する第1方向において前記第1流路との間に間隔を空けて形成された圧力室と、
前記第1方向に沿って形成され、前記第1流路と前記圧力室とを連通する第1連通路と、
前記圧力室内に流入した前記流体に接触して当該流体に超音波を送信することで、前記第1流路内の前記流体に対して前記第1方向に沿って第1定在波を発生させる超音波送信部と、を備える
ことを特徴とする流体デバイス。 - 請求項1または請求項2に記載の流体デバイスにおいて、
前記流通方向および前記第1方向のそれぞれに対して直交する第2方向における前記第1流路の寸法は、前記第1方向における前記第1流路の寸法よりも小さい
ことを特徴とする流体デバイス。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の流体デバイスにおいて、
前記第1連通路は、前記第1流路のうち、前記第1定在波における任意の腹に対応する腹領域に接続される
ことを特徴とする流体デバイス。 - 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の流体デバイスにおいて、
前記超音波送信部は、1以上の超音波素子を備えており、
前記超音波素子は、
前記流体に接触する流体接触面を有する振動部と、
前記振動部に設けられ、前記振動部を前記流体接触面の法線方向に撓み振動させる圧電素子と、を備える
ことを特徴とする流体デバイス。 - 請求項5または請求項6に記載の流体デバイスにおいて、
前記超音波素子は、前記流体接触面の前記法線方向が前記第1方向に沿うように配置される
ことを特徴とする流体デバイス。 - 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の流体デバイスにおいて、
前記第1方向において前記圧力室との間に間隔を空けて配置され、前記流体が流通する第2流路と、
前記第1方向に沿って形成され、前記第2流路と前記圧力室とを連通する第2連通路と、をさらに備え、
前記超音波送信部は、前記圧力室内に流入した前記流体に接触して前記流体に超音波を送信することで、前記第2流路内に前記第1方向に沿って第2定在波をさらに発生させる
ことを特徴とする流体デバイス。 - 請求項9に記載の流体デバイスにおいて、
前記第2流路は、前記圧力室に対して前記第1流路とは反対側に配置される
ことを特徴とする流体デバイス。 - 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の流体デバイスにおいて、
前記第1方向において前記第1連通路との間に間隔を空けて配置され、前記流体が流通する第2流路と、
前記第1方向に沿って形成され、前記第1流路と前記第2流路とを連通する第2連通路と、をさらに備え、
前記超音波送信部は、前記圧力室内に流入した前記流体に接触して前記流体に超音波を送信することで、前記第2流路内に前記第1方向に沿って第2定在波をさらに発生させる
ことを特徴とする流体デバイス。 - 請求項11に記載の流体デバイスにおいて、
前記第2流路は、前記第1流路に対して前記圧力室とは反対側に配置される
ことを特徴とする流体デバイス。
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Applications Claiming Priority (1)
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