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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024125548
(43)【公開日】2024-09-19
(54)【発明の名称】流体デバイス
(51)【国際特許分類】
H04R 17/00 20060101AFI20240911BHJP
B01D 43/00 20060101ALI20240911BHJP
B01J 19/10 20060101ALI20240911BHJP
B01J 19/08 20060101ALI20240911BHJP
【ＦＩ】
H04R17/00 330G
B01D43/00 Z
B01J19/10
B01J19/08 J
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023033425
(22)【出願日】2023-03-06
(71)【出願人】
【識別番号】000002369
【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100179475
【弁理士】
【氏名又は名称】仲井 智至
(74)【代理人】
【識別番号】100216253
【弁理士】
【氏名又は名称】松岡 宏紀
(74)【代理人】
【識別番号】100225901
【弁理士】
【氏名又は名称】今村 真之
(72)【発明者】
【氏名】小島 力
(72)【発明者】
【氏名】久保 景太
(72)【発明者】
【氏名】今井 克浩
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 博則
【テーマコード（参考）】
4G075
5D019
【Ｆターム（参考）】
4G075AA13
4G075AA27
4G075AA42
4G075AA61
4G075BB01
4G075BB05
4G075BB10
4G075BD01
4G075CA23
4G075DA02
4G075EA02
4G075EB21
4G075ED15
4G075FC20
5D019AA21
5D019BB02
5D019BB12
5D019BB19
5D019BB24
5D019EE01
5D019FF02
5D019GG09
(57)【要約】
【課題】気泡による超音波の伝搬効率の低下や、定在波の形成阻害を抑制可能な流体デバイスを提供する。
【解決手段】流体デバイスは、流体が流通する流路を構成する流路壁と、前記流路壁に配置される超音波素子とを有し、超音波を用いて前記流体中の微粒子を捕捉する流体デバイスであって、前記超音波素子は、前記流路壁と一体となる平坦な第一面、及び前記第一面と反対側の第二面を有する振動板と、前記振動板の前記第二面に設けられる圧電素子と、前記第一面から前記第二面に向かう方向から見たときに前記圧電素子を囲うように前記第二面に配置され、前記振動板の振動を抑制する抑制部と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】流体デバイスは、流体が流通する流路を構成する流路壁と、前記流路壁に配置される超音波素子とを有し、超音波を用いて前記流体中の微粒子を捕捉する流体デバイスであって、前記超音波素子は、前記流路壁と一体となる平坦な第一面、及び前記第一面と反対側の第二面を有する振動板と、前記振動板の前記第二面に設けられる圧電素子と、前記第一面から前記第二面に向かう方向から見たときに前記圧電素子を囲うように前記第二面に配置され、前記振動板の振動を抑制する抑制部と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
流体が流通する流路を構成する流路壁と、前記流路壁に配置される超音波素子とを有し、超音波を用いて前記流体中の微粒子を捕捉する流体デバイスであって、
前記超音波素子は、
前記流路壁と一体となる平坦な第一面、及び前記第一面と反対側の第二面を有する振動板と、
前記振動板の前記第二面に設けられる圧電素子と、
前記第一面から前記第二面に向かう方向から見たときに前記圧電素子を囲うように前記第二面に配置され、前記振動板の振動を抑制する抑制部と、
を備えることを特徴とする流体デバイス。
前記超音波素子は、
前記流路壁と一体となる平坦な第一面、及び前記第一面と反対側の第二面を有する振動板と、
前記振動板の前記第二面に設けられる圧電素子と、
前記第一面から前記第二面に向かう方向から見たときに前記圧電素子を囲うように前記第二面に配置され、前記振動板の振動を抑制する抑制部と、
を備えることを特徴とする流体デバイス。
【請求項2】
前記第一面は、前記流路壁の前記流体に接する内壁面と面一に設けられ、前記流路内の前記流体に接する
請求項１に記載の流体デバイス。
請求項１に記載の流体デバイス。
【請求項3】
前記流路壁は、前記流路内の前記流体に面する内壁面と、内壁面とは反対側の外壁面とを備え、
前記振動板の前記第一面は、前記外壁面に対向して、当該外壁面に接合されている、
請求項１に記載の流体デバイス。
前記振動板の前記第一面は、前記外壁面に対向して、当該外壁面に接合されている、
請求項１に記載の流体デバイス。
【請求項4】
前記流路壁は、前記超音波素子が配置される第一壁と、前記第一壁に対向する第二壁を含み、
前記第二壁の前記外壁面に、超音波を反射する超音波反射部が設けられている、
請求項３に記載の流体デバイス。
前記第二壁の前記外壁面に、超音波を反射する超音波反射部が設けられている、
請求項３に記載の流体デバイス。
【請求項5】
前記流路壁の密度をρｗ、前記流路壁における音速をｃｗとし、前記振動板の密度をρｓ、前記振動板における音速をｃｓとし、前記超音波反射部の密度をρｒ、前記超音波反射部における音速をｃｒとした場合に、
ρｗ×ｃｗ＜ρｓ×ｃｓ
かつ、
ρｗ×ｃｗ＜ρｒ×ｃｒ
を満たす、請求項４に記載の流体デバイス。
ρｗ×ｃｗ＜ρｓ×ｃｓ
かつ、
ρｗ×ｃｗ＜ρｒ×ｃｒ
を満たす、請求項４に記載の流体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は流体デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、流体に対して超音波を送信し、当該超音波によって定在波を形成することで流体に含まれる粒子を捕捉する流体デバイスが知られている。
特許文献１に記載の流体デバイスは、流路を形成する流路壁に対してアクチュエータが設けられている。また、特許文献１のアクチュエータの代わりに、特許文献２に記載されている超音波素子を使用することもできる。この超音波素子は、開口部を有する基板と、開口部を閉塞する振動板と、振動板に設けられる圧電素子とを備える。
特許文献２に記載の超音波素子では、圧電素子の駆動によって振動板を振動させることで超音波を送信する。このような超音波素子を特許文献１のような流体デバイスに適用すると、基板の開口部が流体に対向し、開口部から振動板が流路内に臨む構成とすることで、振動板の振動による超音波を流体に直接送信することができる。
なお、このような超音波素子を、流路壁の外側に基板を貼り付けるように配置してもよく、この場合、開口部と流路壁との音響インピーダンスの差を低減させるための音響整合層を開口部内に充填する。
特許文献１に記載の流体デバイスは、流路を形成する流路壁に対してアクチュエータが設けられている。また、特許文献１のアクチュエータの代わりに、特許文献２に記載されている超音波素子を使用することもできる。この超音波素子は、開口部を有する基板と、開口部を閉塞する振動板と、振動板に設けられる圧電素子とを備える。
特許文献２に記載の超音波素子では、圧電素子の駆動によって振動板を振動させることで超音波を送信する。このような超音波素子を特許文献１のような流体デバイスに適用すると、基板の開口部が流体に対向し、開口部から振動板が流路内に臨む構成とすることで、振動板の振動による超音波を流体に直接送信することができる。
なお、このような超音波素子を、流路壁の外側に基板を貼り付けるように配置してもよく、この場合、開口部と流路壁との音響インピーダンスの差を低減させるための音響整合層を開口部内に充填する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】ＷＯ２００５／０５８４５９号公報
【特許文献2】特開２０１８－１５７１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献２のような従来の薄膜型超音波デバイスは、基板に開口部が設けられるため、このような薄膜型超音波デバイスを流体デバイスに適用するト、開口部内に空気が侵入し、気泡となって超音波の送信を阻害する場合がある。例えば、流路内に開口部が露出する構成では、特に、開口部と振動板との間の角部等に気泡が残留しやすい。また、流路壁の外面に超音波デバイスを貼り付ける場合、上記のように音響整合層を開口部に充填する必要があるが、開口幅が小さい開口部に音響整合層を隙間なく充填することは困難であり、気泡が混入する恐れがある。
このような気泡が超音波の送信方向に存在する場合、超音波が気泡の界面によって反射されるため超音波の伝搬効率が低下する、との課題がある。
このような気泡が超音波の送信方向に存在する場合、超音波が気泡の界面によって反射されるため超音波の伝搬効率が低下する、との課題がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の第一態様の流体デバイスは、流体が流通する流路を構成する流路壁と、前記流路壁に配置される超音波素子とを有し、超音波を用いて前記流体中の微粒子を捕捉する流体デバイスであって、前記超音波素子は、前記流路壁と一体となる平坦な第一面、及び前記第一面と反対側の第二面を有する振動板と、前記振動板の前記第二面に設けられる圧電素子と、前記第一面から前記第二面に向かう方向から見たときに前記圧電素子を囲うように前記第二面に配置され、前記振動板の振動を抑制する抑制部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】第一実施形態の流体デバイスの概略構成を示す図。
【図2】第一実施形態の流体デバイスの超音波素子の位置における概略断面図。
【図3】比較例の流体デバイスの概略構成と、第一実施形態の流体デバイスの概略構成とを比較する図。
【図4】抑制部の距離と規格化放射インピーダンスとの関係を示す図。
【図5】第二実施形態の流体デバイスの概略構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【0007】
［第一実施形態］
以下、第一実施形態の流体デバイスについて説明する。
図１は、第一実施形態の流体デバイスの概略構成を示す図である。
流体デバイス１０は、内部に流体Ｓを流通させる流路２０と、流路２０内の流体Ｓに超音波を送信して定在波ＳＷを発生させる超音波素子３０と、超音波素子３０の駆動を制御する制御部４０と、を備える。
ここで、流路２０の流体Ｓが流れる方向をＸ方向とする。超音波素子３０により送信される超音波の送信方向をＺ方向とし、Ｚ方向はＸ方向に直交するものとする。また、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。
以下、第一実施形態の流体デバイスについて説明する。
図１は、第一実施形態の流体デバイスの概略構成を示す図である。
流体デバイス１０は、内部に流体Ｓを流通させる流路２０と、流路２０内の流体Ｓに超音波を送信して定在波ＳＷを発生させる超音波素子３０と、超音波素子３０の駆動を制御する制御部４０と、を備える。
ここで、流路２０の流体Ｓが流れる方向をＸ方向とする。超音波素子３０により送信される超音波の送信方向をＺ方向とし、Ｚ方向はＸ方向に直交するものとする。また、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。
【0008】
この流体デバイス１０では、流路２０内のＸ方向に沿った一部領域において、任意のモード次数の定在波ＳＷがＹ方向に沿って形成される。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、定在波ＳＷの節を中心とする所定範囲に収束する。流体Ｓとしては、特に限定されないが、例えば水や血液などを例示できる。また、微粒子Ｍとしては、例えば微小繊維や細胞等を例示できる。
このような流体デバイス１０では、例えば、流路２０に対して、収束した微粒子Ｍを含む流体Ｓ（濃縮流体）を選択的に流通させる濃縮用流路と、それ以外の流体Ｓ（希釈流体）を選択的に流通させる希釈用流路とを設けることにより、流体Ｓにおける微粒子Ｍを濃縮することができる。例えば、流体デバイス１０を、洗濯液に含まれる微小繊維の除去に用いる場合には、微小繊維を多く含む濃縮用流路を、微小繊維を回収する専用の回収部に接続し、希釈用流路を排水管に接続すればよい。
なお、図１では、流路２０内で収束される微粒子Ｍの様子を模式的に例示している。また、図１では、一例として、流路２０内に発生する１次モードの定在波ＳＷを模式的に示しているが、定在波ＳＷのモード次数は特に限定されない。
さらに、図１では、１つの超音波素子３０を用いる例を示すが、濃縮用流路や希釈用流路にさらに他の超音波素子を配置して、同様に微粒子Ｍを再捕捉するようにしてもよい。この場合、希釈用流路の流体Ｓに含まれる微粒子Ｍをさらに除去したり、濃縮用流路の流体Ｓの微粒子Ｍの濃度をさらに濃縮したりすることができる。
このような流体デバイス１０では、例えば、流路２０に対して、収束した微粒子Ｍを含む流体Ｓ（濃縮流体）を選択的に流通させる濃縮用流路と、それ以外の流体Ｓ（希釈流体）を選択的に流通させる希釈用流路とを設けることにより、流体Ｓにおける微粒子Ｍを濃縮することができる。例えば、流体デバイス１０を、洗濯液に含まれる微小繊維の除去に用いる場合には、微小繊維を多く含む濃縮用流路を、微小繊維を回収する専用の回収部に接続し、希釈用流路を排水管に接続すればよい。
なお、図１では、流路２０内で収束される微粒子Ｍの様子を模式的に例示している。また、図１では、一例として、流路２０内に発生する１次モードの定在波ＳＷを模式的に示しているが、定在波ＳＷのモード次数は特に限定されない。
さらに、図１では、１つの超音波素子３０を用いる例を示すが、濃縮用流路や希釈用流路にさらに他の超音波素子を配置して、同様に微粒子Ｍを再捕捉するようにしてもよい。この場合、希釈用流路の流体Ｓに含まれる微粒子Ｍをさらに除去したり、濃縮用流路の流体Ｓの微粒子Ｍの濃度をさらに濃縮したりすることができる。
【0009】
流路２０は、Ｘ方向に沿って延設される流路壁により構成される。流路壁は、Ｚ方向において互いに対向する第一壁２１および第二壁２２と、Ｙ方向において対向する第三壁及び第四壁とを含む。なお、図１では、第三壁及び第四壁の図示は省略している。
第一壁２１および第二壁２２の間の流路幅Ｌは、超音波素子３０から送信される超音波によって所定のモード次数の定在波を形成するための既知の値となる。
ここで、第一壁２１において、流路２０に面する側、つまり流体Ｓと接する壁面を第一内壁面２１Ａとし、第一壁２１の第一内壁面２１Ａとは反対側の面を第一外壁面２１Ｂとする。同様に、第二壁２２において、流路２０に面する側、つまり流体Ｓと接する壁面を第二内壁面２２Ａとし、第二壁２２の第二内壁面２２Ａとは反対側の面を第二外壁面２２Ｂとする。
第一壁２１および第二壁２２の間の流路幅Ｌは、超音波素子３０から送信される超音波によって所定のモード次数の定在波を形成するための既知の値となる。
ここで、第一壁２１において、流路２０に面する側、つまり流体Ｓと接する壁面を第一内壁面２１Ａとし、第一壁２１の第一内壁面２１Ａとは反対側の面を第一外壁面２１Ｂとする。同様に、第二壁２２において、流路２０に面する側、つまり流体Ｓと接する壁面を第二内壁面２２Ａとし、第二壁２２の第二内壁面２２Ａとは反対側の面を第二外壁面２２Ｂとする。
【0010】
また、図示を省略するが、流路２０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。流路２０に対して上述したような濃縮用流路および排出用流路が設けられる場合には、各流路に対して排出口が設けられる。
【0011】
超音波素子３０は、流路２０の所定位置において設けられ、流体Ｓに対して所定の周波数の超音波を送信することで、当該流体ＳにＹ軸に沿った定在波ＳＷを発生させる。本実施形態では、超音波素子３０の超音波送信面である第一面３１Ａは、流路２０の第一壁２１の一部を構成しており、Ｚ方向に沿った定在波ＳＷを発生させる。
【0012】
図２は、第一実施形態の流体デバイス１０において、超音波素子３０が配置される位置での概略断面図である。
超音波素子３０は、図２に示すように、振動板３１と、圧電素子３２と、抑制部３３と、封止板３４とを備える。
超音波素子３０は、図２に示すように、振動板３１と、圧電素子３２と、抑制部３３と、封止板３４とを備える。
【0013】
振動板３１は、第一基板３１１と、第二基板３１２とを備える。第一基板３１１は、例えばＳｉ等の半導体基板により構成される平坦な板状基板である。第二基板３１２は、第一基板３１１に積層される基板であり、例えばＳｉＯ２やＺｒＯ２等の金属酸化物により構成される平坦な板状基板である。
第一基板３１１の第二基板３１２とは反対側の面は、本開示の第一面３１Ａを構成し、超音波素子３０から超音波が送信される超音波送信面となる。また、第二基板３１２の第一基板３１１とは反対側の面は、本開示の第二面３１Ｂを構成し、第一面３１Ａとは表裏を成す。ここで、第二面３１Ｂから第一面３１Ａに向かう方向は、超音波の送信方向であるＺ方向となる。
第一基板３１１の第二基板３１２とは反対側の面は、本開示の第一面３１Ａを構成し、超音波素子３０から超音波が送信される超音波送信面となる。また、第二基板３１２の第一基板３１１とは反対側の面は、本開示の第二面３１Ｂを構成し、第一面３１Ａとは表裏を成す。ここで、第二面３１Ｂから第一面３１Ａに向かう方向は、超音波の送信方向であるＺ方向となる。
【0014】
本実施形態の超音波素子３０では、第一基板３１１及び第二基板３１２は平坦な板状部材であり、第一面３１Ａ及び第二面３１Ｂも平坦面、つまりＸＹ平面に平行な面となる。より具体的には、第一面３１Ａは、少なくとも表面粗さ（算術平均粗さ）が１０μｍ以下に形成されていることが好ましい。これにより、第一面３１Ａでの超音波の乱反射を抑制でき、流体Ｓに効率よく定在波ＳＷを形成できる。
本実施形態では、第一基板３１１の第一面３１Ａは、第一壁２１の第一内壁面２１Ａと面一であり、同一平面となる。また、図２に示す例では、振動板３１の厚みが第一壁２１の厚み（Ｚ方向の寸法）よりも薄い例を示すが、これに限定されず、第一壁２１の厚みが振動板３１の厚みより大きくてもよい。
本実施形態では、第一基板３１１の第一面３１Ａは、第一壁２１の第一内壁面２１Ａと面一であり、同一平面となる。また、図２に示す例では、振動板３１の厚みが第一壁２１の厚み（Ｚ方向の寸法）よりも薄い例を示すが、これに限定されず、第一壁２１の厚みが振動板３１の厚みより大きくてもよい。
【0015】
本実施形態では、第二基板３１２は、第一基板３１１よりも厚みが小さく形成されている。第二基板３１２は、圧電素子３２の後述する圧電体層３２２の形成に必要な層である。例えば、圧電体層３２２を、ＰＺＴにより構成する場合、第二基板３１２としてＺｒＯ２やＳｉＯ２の層を形成することで、圧電体層３２２のＰｂ原子の拡散を抑制することができ、高品質な圧電体層３２２を形成することができる。
ところで、本実施形態では、圧電体層３２２の形成後も第二基板３１２をそのまま残しているが、圧電体層３２２の形成後に第二基板３１２を除去してもよい。この場合、振動板３１は第一基板３１１のみにより構成され、第一基板３１１の一方の面が第一面３１Ａ、他方の面が第二面３１Ｂを構成する。また、圧電素子３２の形成箇所以外の第二基板３１２のみを除去するようにしてもよい。
ところで、本実施形態では、圧電体層３２２の形成後も第二基板３１２をそのまま残しているが、圧電体層３２２の形成後に第二基板３１２を除去してもよい。この場合、振動板３１は第一基板３１１のみにより構成され、第一基板３１１の一方の面が第一面３１Ａ、他方の面が第二面３１Ｂを構成する。また、圧電素子３２の形成箇所以外の第二基板３１２のみを除去するようにしてもよい。
【0016】
圧電素子３２は、振動板３１の第二基板３１２上、つまり、第二面３１Ｂに設けられており、図２に示すように、第一電極３２１、圧電体層３２２、及び第二電極３２３がＺ方向に積層されることで構成される。また、本実施形態における圧電体層３２２は、Ｐｂを含有するペロブスカイト型遷移金属酸化物により構成されており、例えば、本実施形態ではＰｂとＺｒとＴｉとを含むＰＺＴである。
ここで、Ｚ方向において、第一電極３２１、圧電体層３２２、及び第二電極３２３が互いに重なる部分は、第一電極３２１及び第二電極３２３の間に電圧を印加した場合に伸縮する能動部となる。圧電素子３２が伸縮することで、当該圧電素子３２が設けられた振動板３１が振動して超音波が出力される。
なお、図２では、図の簡略化のため、１つの圧電素子３２が設けられる例を示すが、Ｘ方向及びＹ方向に沿って、又はＸ方向及びＹ方向のいずれかに沿って、複数の圧電素子３２がアレイ状に配置される構成としてもよい。
ここで、Ｚ方向において、第一電極３２１、圧電体層３２２、及び第二電極３２３が互いに重なる部分は、第一電極３２１及び第二電極３２３の間に電圧を印加した場合に伸縮する能動部となる。圧電素子３２が伸縮することで、当該圧電素子３２が設けられた振動板３１が振動して超音波が出力される。
なお、図２では、図の簡略化のため、１つの圧電素子３２が設けられる例を示すが、Ｘ方向及びＹ方向に沿って、又はＸ方向及びＹ方向のいずれかに沿って、複数の圧電素子３２がアレイ状に配置される構成としてもよい。
【0017】
抑制部３３は、振動板３１の第二面３１Ｂに設けられる部材であり、例えば永久レジスト等により構成される。具体的には、抑制部３３は、Ｚ方向から見た際に、圧電素子３２の外周を囲う枠状に形成されている。この抑制部３３は、振動板３１とは反対側の他端が封止板３４に接続されることで振動板３１の振動を抑制する。これにより、圧電素子３２によって振動される振動板３１の振動領域が規定される。すなわち、本実施形態では、振動板３１のうち、抑制部３３によって囲われる部分が振動することで、超音波が出力される。
封止板３４は、振動板３１に比べてＺ方向の厚みが十分に大きく、抑制部３３を介して振動板３１に接合されることで、振動板３１を補強し、かつ、抑制部３３が振動板３１とともに振動することを抑制する。
封止板３４は、振動板３１に比べてＺ方向の厚みが十分に大きく、抑制部３３を介して振動板３１に接合されることで、振動板３１を補強し、かつ、抑制部３３が振動板３１とともに振動することを抑制する。
【0018】
図１に戻り、制御部４０は、超音波素子３０の駆動を制御する。具体的な構成の図示は省略するが、制御部４０には、圧電素子３２に対して所定の駆動電圧の駆動パルスを連続して出力する連続波発生回路、連続波発生回路を制御する演算回路、各種データを記憶する記憶回路等が含まれる。
そして、制御部４０は、図示略の入力手段から駆動指令を受信することで、連続波発生回路を介して超音波素子３０を制御し、流体Ｓ中に定在波ＳＷを発生させる。
そして、制御部４０は、図示略の入力手段から駆動指令を受信することで、連続波発生回路を介して超音波素子３０を制御し、流体Ｓ中に定在波ＳＷを発生させる。
【0019】
［抑制部により囲われた振動板の面積について］
図３は、比較例の流体デバイス９０の概略構成と、本実施形態の流体デバイス１０の概略構成とを比較する図である。
比較例の流体デバイス９０の超音波素子９０Ａは、図３に示すように、支持基板９１に複数の開口部９１１が形成され、開口部９１１を閉塞するように振動板９２が設けられる。また、Ｚ方向から見て、開口部９１１と重なる位置に振動板９２上に複数の圧電素子９３が設けられ、これらの圧電素子９３の間に、抑制部９４が設けられる。本実施形態の流体デバイス１０と同様、抑制部９４の支持基板９１とは反対側には封止板９５が設けられる。そして、図３の例では、超音波素子９０Ａの開口部９１１は流路２０の流体Ｓに臨んで設けられている。
図３は、比較例の流体デバイス９０の概略構成と、本実施形態の流体デバイス１０の概略構成とを比較する図である。
比較例の流体デバイス９０の超音波素子９０Ａは、図３に示すように、支持基板９１に複数の開口部９１１が形成され、開口部９１１を閉塞するように振動板９２が設けられる。また、Ｚ方向から見て、開口部９１１と重なる位置に振動板９２上に複数の圧電素子９３が設けられ、これらの圧電素子９３の間に、抑制部９４が設けられる。本実施形態の流体デバイス１０と同様、抑制部９４の支持基板９１とは反対側には封止板９５が設けられる。そして、図３の例では、超音波素子９０Ａの開口部９１１は流路２０の流体Ｓに臨んで設けられている。
【0020】
比較例の流体デバイス９０は、開口部９１１の縁と、抑制部９４の縁とにより囲われた振動板９２の振動領域が決定されるが、本実施形態に対して、振動領域の面積、より具体的には、周波数を決定する短軸方向の抑制部間の距離が小さい。
図４は、抑制部の距離と規格化放射インピーダンスとの関係を示す図である。なお、放射インピーダンスは、圧電素子の変位速度、つまり振動板の振動速度に対する、振動板の振動により発生する力を示す値である。また、放射インピーダンスを、Ｚ方向から見て振動板３１，９２の抑制部３３，９４に囲われる部分の面積、振動板３１，９２の密度、及び対象物における音速で除算した値と、規格化した放射インピーダンス（規格化放射インピーダンス）とする。
図４は、抑制部の距離と規格化放射インピーダンスとの関係を示す図である。なお、放射インピーダンスは、圧電素子の変位速度、つまり振動板の振動速度に対する、振動板の振動により発生する力を示す値である。また、放射インピーダンスを、Ｚ方向から見て振動板３１，９２の抑制部３３，９４に囲われる部分の面積、振動板３１，９２の密度、及び対象物における音速で除算した値と、規格化した放射インピーダンス（規格化放射インピーダンス）とする。
【0021】
比較例の流体デバイス９０に設けられた超音波素子９０Ａでは、抑制部間距離は、１００μｍよりも小さく、規格化放射インピーダンスは０．４未満となる。例えば、抑制部間距離が６０μｍの場合、規格化放射インピーダンスは、０．２程度となる。
しかしながら、流体デバイス１０，９０から流体（例えば水）に効率よく超音波を送信するためには、放射インピーダンスをより高めることが好ましい。これに対して、本実施形態では、規格化放射インピーダンスが０．８以上１．０以下となるように形成されている。具体的には、本実施形態の流体デバイス１０の超音波素子３０は、抑制部間距離は、２００μｍ以上であり、これにより、規格化放射インピーダンスを０．８以上１以下にでき、例えば、抑制部間距離が３００μｍである場合、規格化放射インピーダンスは０．９５であり、比較例の４．７倍の規格化放射インピーダンスが得られる。
しかしながら、流体デバイス１０，９０から流体（例えば水）に効率よく超音波を送信するためには、放射インピーダンスをより高めることが好ましい。これに対して、本実施形態では、規格化放射インピーダンスが０．８以上１．０以下となるように形成されている。具体的には、本実施形態の流体デバイス１０の超音波素子３０は、抑制部間距離は、２００μｍ以上であり、これにより、規格化放射インピーダンスを０．８以上１以下にでき、例えば、抑制部間距離が３００μｍである場合、規格化放射インピーダンスは０．９５であり、比較例の４．７倍の規格化放射インピーダンスが得られる。
【0022】
［流体Ｓ中の気泡について］
図３に示すように、比較例の流体デバイス９０では、超音波素子９０Ａの開口部９１１が流路２０に臨んで形成される。この場合、流体Ｓが開口部９１１内に入り込んだ際に、流体Ｓ中に含まれる気泡が開口部９１１に残留するおそれがある。特に、開口部９１１と振動板９２との間の角部は気泡が残留しやすい。このような気泡が残留する場合、気泡と流体Ｓとの界面で音響インピーダンスの差が大きくなり、超音波の反射が発生する。このような超音波の反射が生じると、定在波ＳＷの圧力勾配も小さくなり、微粒子Ｍを捕捉する力も減少する。
図３に示すように、比較例の流体デバイス９０では、超音波素子９０Ａの開口部９１１が流路２０に臨んで形成される。この場合、流体Ｓが開口部９１１内に入り込んだ際に、流体Ｓ中に含まれる気泡が開口部９１１に残留するおそれがある。特に、開口部９１１と振動板９２との間の角部は気泡が残留しやすい。このような気泡が残留する場合、気泡と流体Ｓとの界面で音響インピーダンスの差が大きくなり、超音波の反射が発生する。このような超音波の反射が生じると、定在波ＳＷの圧力勾配も小さくなり、微粒子Ｍを捕捉する力も減少する。
【0023】
これに対して、本実施形態では、振動板３１に、比較例のような開口部９１１がなく、第一面３１Ａは、第一壁２１の第一内壁面２１Ａと面一（同一面）となる。よって、流体Ｓ中に気泡が含まれていても、超音波素子３０の表面で当該気泡が残留することが抑制され、比較例に比べて気泡の影響を大きく低減できる。
【0024】
［本実施形態の作用効果］
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を構成する第一壁２１，第二壁２２と、第一壁２１に配置される超音波素子３０とを備える。そして、超音波素子３０は、第一壁２１と一体となる平坦な第一面３１Ａ及び第二面３１Ｂを有する振動板３１、第二面３１Ｂに配置される圧電素子３２、及び第二面３１Ｂに設けられて圧電素子３２を囲うように配置される抑制部３３を備える。
このように、平坦な第一面３１Ａが第一壁２１と一体に構成されることで、第一面３１Ａから超音波を送信する際に空気層が介在せず、超音波の伝搬効率の低下を抑制でき、微粒子Ｍを捕捉するための定在波ＳＷを適正に形成できる。
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を構成する第一壁２１，第二壁２２と、第一壁２１に配置される超音波素子３０とを備える。そして、超音波素子３０は、第一壁２１と一体となる平坦な第一面３１Ａ及び第二面３１Ｂを有する振動板３１、第二面３１Ｂに配置される圧電素子３２、及び第二面３１Ｂに設けられて圧電素子３２を囲うように配置される抑制部３３を備える。
このように、平坦な第一面３１Ａが第一壁２１と一体に構成されることで、第一面３１Ａから超音波を送信する際に空気層が介在せず、超音波の伝搬効率の低下を抑制でき、微粒子Ｍを捕捉するための定在波ＳＷを適正に形成できる。
【0025】
より具体的には、第一面３１Ａは、第一壁２１の第一内壁面２１Ａと面一に設けられ、流路２０内の流体Ｓに接している。
本実施形態では、平坦な第一面３１Ａが流体Ｓに接するため、流体Ｓに気泡が含まれていても、当該気泡が第一面３１Ａに付着せず、超音波の伝搬効率が阻害される不都合を抑制できる。
つまり、振動板３１の第一面３１Ａが流体Ｓに接する場合、流体Ｓに接する面に凹凸が存在すると気泡が付着しやすくなる。例えば、図３の比較例に示す超音波素子９０Ａのように開口部９１１が設けられる場合、開口部９１１に気泡が入り込みやすくなる。これに対して、本実施形態では、第一面３１Ａが平坦面であり、気泡が付着しやすい凹凸がなく、流体Ｓの流れにより気泡を下流側に流すことができる。
本実施形態では、平坦な第一面３１Ａが流体Ｓに接するため、流体Ｓに気泡が含まれていても、当該気泡が第一面３１Ａに付着せず、超音波の伝搬効率が阻害される不都合を抑制できる。
つまり、振動板３１の第一面３１Ａが流体Ｓに接する場合、流体Ｓに接する面に凹凸が存在すると気泡が付着しやすくなる。例えば、図３の比較例に示す超音波素子９０Ａのように開口部９１１が設けられる場合、開口部９１１に気泡が入り込みやすくなる。これに対して、本実施形態では、第一面３１Ａが平坦面であり、気泡が付着しやすい凹凸がなく、流体Ｓの流れにより気泡を下流側に流すことができる。
【0026】
［第二実施形態］
上記第一実施形態では、超音波素子３０の振動板３１の第一面３１Ａが、第一壁２１の第一内壁面２１Ａと面一となるように、超音波素子３０と第一壁２１とが一体に設けられる例である。
これに対して、第二実施形態では、超音波素子３０の振動板３１の第一面３１Ａが、第一壁２１の第一外壁面２１Ｂと面一となるように、超音波素子３０と第一壁２１とが一体に設けられる点で上記第一実施形態と相違する。
図５は、第二実施形態の流体デバイス１０Ａの概略構成を示す断面図である。
なお、以降の説明において、第一実施形態と同一の構成については、同符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
上記第一実施形態では、超音波素子３０の振動板３１の第一面３１Ａが、第一壁２１の第一内壁面２１Ａと面一となるように、超音波素子３０と第一壁２１とが一体に設けられる例である。
これに対して、第二実施形態では、超音波素子３０の振動板３１の第一面３１Ａが、第一壁２１の第一外壁面２１Ｂと面一となるように、超音波素子３０と第一壁２１とが一体に設けられる点で上記第一実施形態と相違する。
図５は、第二実施形態の流体デバイス１０Ａの概略構成を示す断面図である。
なお、以降の説明において、第一実施形態と同一の構成については、同符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【0027】
本実施形態の流体デバイス１０Ａでは、超音波素子３０は、平坦な第一面３１Ａと、第一面３１Ａとは反対側面となる第二面３１Ｂを有する振動板３１と、圧電素子３２と、抑制部３３と、封止板３４とを備える。
そして、本実施形態の超音波素子３０は、第一壁２１の第一外壁面２１Ｂと第一面３１Ａが同一面となるように配置される。すなわち、第一面３１Ａから出力される超音波は、第一外壁面２１Ｂから第一壁２１を通過し、第一内壁面２１Ａから流路２０の流体Ｓに送信される。この際、第一面３１Ａと第一外壁面２１Ｂとの間は、空気層が介在しないように、第一面３１Ａと第一外壁面２１Ｂとが密接に接合されている。
そして、本実施形態の超音波素子３０は、第一壁２１の第一外壁面２１Ｂと第一面３１Ａが同一面となるように配置される。すなわち、第一面３１Ａから出力される超音波は、第一外壁面２１Ｂから第一壁２１を通過し、第一内壁面２１Ａから流路２０の流体Ｓに送信される。この際、第一面３１Ａと第一外壁面２１Ｂとの間は、空気層が介在しないように、第一面３１Ａと第一外壁面２１Ｂとが密接に接合されている。
【0028】
また、本実施形態では、第一壁２１に対向する第二壁２２の第二外壁面２２Ｂに対して超音波反射部５０が設けられている。この際、超音波反射部５０の第二壁２２側の面は、平坦なＸＹ平面であり、第二外壁面２２Ｂと面一になる。
【0029】
本実施形態では、振動板３１の密度をρｓ、振動板３１における音速（振動板３１を通過する超音波の音速）をｃｓ、第一壁２１の密度をρｗ、第一壁２１における音速（第一壁２１を通過する超音波の音速）をｃｗとした場合に、下記式（１）を満たす。
ρｗ×ｃｗ＜ρｓ×ｃｓ ・・・（１）
ρｗ×ｃｗ＜ρｓ×ｃｓ ・・・（１）
【0030】
また、超音波反射部５０の密度をρｒ、超音波反射部５０における音速（超音波反射部５０を通過する超音波の音速）をｃｒとした場合に、下記式（２）を満たす。なお、第二壁２２は、第一壁２１と同一の素材を有し、第一壁２１と同様に、密度がρｗ、第二壁２２を通過する音速がｃｗであるとする。
ρｗ×ｃｗ＜ρｒ×ｃｒ ・・・（２）
ρｗ×ｃｗ＜ρｒ×ｃｒ ・・・（２）
【0031】
つまり、振動板３１の固有音響インピーダンスは、第一壁２１の固有音響インピーダンスよりも大きく、超音波反射部５０の固有音響インピーダンスは、第二壁２２の固有音響インピーダンスよりも大きい。
これにより、流路２０から第一壁２１に透過した超音波は、振動板３１により反射され、かつ、その反射波の位相が反転する。同様に、流路２０から第二壁２２に透過した超音波は、超音波反射部５０により反射され、かつ、その反射波の位相が反転する。したがって、振動板３１と超音波反射部５０との間で超音波が反射されることで、定在波ＳＷが形成される。すなわち、本実施形態では、定在波ＳＷは、振動板３１と超音波反射部５０との間で形成される。
これにより、流路２０から第一壁２１に透過した超音波は、振動板３１により反射され、かつ、その反射波の位相が反転する。同様に、流路２０から第二壁２２に透過した超音波は、超音波反射部５０により反射され、かつ、その反射波の位相が反転する。したがって、振動板３１と超音波反射部５０との間で超音波が反射されることで、定在波ＳＷが形成される。すなわち、本実施形態では、定在波ＳＷは、振動板３１と超音波反射部５０との間で形成される。
【0032】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の流体デバイス１０Ａは、第一実施形態と同様、流体Ｓが流通する流路２０を構成する第一壁２１，第二壁２２と、第一壁２１に配置される超音波素子３０とを備え、超音波素子３０の振動板３１の第一面３１Ａは、第一壁２１と一体となる平坦に構成されている。
このため、第一実施形態と同様、平坦な第一面３１Ａが第一壁２１と一体に構成されることで、第一面３１Ａから超音波を送信する際に空気層が介在せず、超音波の伝搬効率の低下を抑制でき、微粒子Ｍを捕捉するための定在波ＳＷを適正に形成できる。
本実施形態の流体デバイス１０Ａは、第一実施形態と同様、流体Ｓが流通する流路２０を構成する第一壁２１，第二壁２２と、第一壁２１に配置される超音波素子３０とを備え、超音波素子３０の振動板３１の第一面３１Ａは、第一壁２１と一体となる平坦に構成されている。
このため、第一実施形態と同様、平坦な第一面３１Ａが第一壁２１と一体に構成されることで、第一面３１Ａから超音波を送信する際に空気層が介在せず、超音波の伝搬効率の低下を抑制でき、微粒子Ｍを捕捉するための定在波ＳＷを適正に形成できる。
【0033】
より具体的に、本実施形態では、振動板３１の第一面３１Ａは、第一壁２１の第一外壁面２１Ｂに接合されている。
超音波素子３０の振動板３１の第一面３１Ａが平坦面であり、その第一面３１Ａが、平坦な第一外壁面２１Ｂと面一になるように設けられるので、第一面３１Ａと第一外壁面２１Ｂとの間に空気層が介在することがない。例えば、図３の比較例の超音波素子９０Ａを、第一外壁面２１Ｂに接合する場合、支持基板９１を第一外壁面２１Ｂに接合する必要があり、開口部９１１に空気層が形成されてしまう。開口部９１１に第一壁２１と音響インピーダンスが近い音響整合層を充填することも考えられるが、微小な開口部９１１に気泡が介在することなく音響整合層を充填することは困難である。特に開口部９１１と振動板９２との角部に気泡が残留するおそれがある。これに対して、本実施形態では、振動板３１の第一面３１Ａは、開口部９１１のような凹凸がない平坦面であるため、空気層が形成されることなく、第一面３１Ａを第一外壁面２１Ｂに接合することができる。
これにより、空気層による超音波の阻害を抑制でき、第一実施形態と同様、超音波の伝搬効率の低下が抑制され、適正な定在波ＳＷを形成することができる。
超音波素子３０の振動板３１の第一面３１Ａが平坦面であり、その第一面３１Ａが、平坦な第一外壁面２１Ｂと面一になるように設けられるので、第一面３１Ａと第一外壁面２１Ｂとの間に空気層が介在することがない。例えば、図３の比較例の超音波素子９０Ａを、第一外壁面２１Ｂに接合する場合、支持基板９１を第一外壁面２１Ｂに接合する必要があり、開口部９１１に空気層が形成されてしまう。開口部９１１に第一壁２１と音響インピーダンスが近い音響整合層を充填することも考えられるが、微小な開口部９１１に気泡が介在することなく音響整合層を充填することは困難である。特に開口部９１１と振動板９２との角部に気泡が残留するおそれがある。これに対して、本実施形態では、振動板３１の第一面３１Ａは、開口部９１１のような凹凸がない平坦面であるため、空気層が形成されることなく、第一面３１Ａを第一外壁面２１Ｂに接合することができる。
これにより、空気層による超音波の阻害を抑制でき、第一実施形態と同様、超音波の伝搬効率の低下が抑制され、適正な定在波ＳＷを形成することができる。
【0034】
本実施形態において、流路壁は、Ｚ方向に対向する第一壁２１及び第二壁２２を含み、第二壁２２の第二外壁面２２Ｂに、超音波を反射する超音波反射部５０が設けられている。
本実施形態では、超音波素子３０から送信された超音波は、第一壁２１を透過して流路２０内の流体Ｓに伝搬される。したがって、流路壁を構成する第一壁２１及び第二壁２２が同一素材により構成される場合、流体Ｓを伝搬した超音波は第二壁２２を透過する。これに対して、本実施形態では、第二壁２２の第二外壁面２２Ｂに超音波反射部５０が設けられているので、第二壁２２と超音波反射部５０との間で超音波を反射することができ、超音波の損失を抑制できる。
本実施形態では、超音波素子３０から送信された超音波は、第一壁２１を透過して流路２０内の流体Ｓに伝搬される。したがって、流路壁を構成する第一壁２１及び第二壁２２が同一素材により構成される場合、流体Ｓを伝搬した超音波は第二壁２２を透過する。これに対して、本実施形態では、第二壁２２の第二外壁面２２Ｂに超音波反射部５０が設けられているので、第二壁２２と超音波反射部５０との間で超音波を反射することができ、超音波の損失を抑制できる。
【0035】
本実施形態の流体デバイス１０Ａにおいて、上記式（１）及び式（２）を満たす。すなわち、振動板３１の固有音響インピーダンスは、第一壁２１の固有音響インピーダンスよりも大きく、超音波反射部５０の固有音響インピーダンスは、第二壁２２の固有音響インピーダンスよりも大きい。
これにより、第一壁２１から振動板３１に入射する超音波は、第一壁２１と振動板３１との界面である第一面３１Ａにおいて反射し、かつ、位相が反転する。同様に、第二壁２２から超音波反射部５０に入射する超音波は、第二壁２２と超音波反射部５０との界面で反射し、かつ位相が反転する。これにより、振動板３１と超音波反射部５０の間で定在波ＳＷを形成することができる。
これにより、第一壁２１から振動板３１に入射する超音波は、第一壁２１と振動板３１との界面である第一面３１Ａにおいて反射し、かつ、位相が反転する。同様に、第二壁２２から超音波反射部５０に入射する超音波は、第二壁２２と超音波反射部５０との界面で反射し、かつ位相が反転する。これにより、振動板３１と超音波反射部５０の間で定在波ＳＷを形成することができる。
【0036】
［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。
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。
【0037】
［変形例１］
第一実施形態において、振動板３１と第一壁２１とは別部材であり、第一壁２１の第一内壁面２１Ａと、振動板３１の第一面３１Ａとが同一平面状となるように、第一壁２１に対して超音波素子し３１を配置した。
これに対して、第一壁２１と振動板３１とが同部材であり、第一壁２１を振動板３１として機能させてもよい。例えば、第一壁２１の第一内壁面２１Ａを本開示の第一面とし、第一外壁面２１Ｂを本開示の第二面とし、第一外壁面２１Ｂに圧電素子３２、及び抑制部３３を設ける構成としてもよい。この場合、第一壁２１として、例えばＳｉにより構成された第一基板と、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２により構成された第二基板との積層構造とすることが好ましい。
第一実施形態において、振動板３１と第一壁２１とは別部材であり、第一壁２１の第一内壁面２１Ａと、振動板３１の第一面３１Ａとが同一平面状となるように、第一壁２１に対して超音波素子し３１を配置した。
これに対して、第一壁２１と振動板３１とが同部材であり、第一壁２１を振動板３１として機能させてもよい。例えば、第一壁２１の第一内壁面２１Ａを本開示の第一面とし、第一外壁面２１Ｂを本開示の第二面とし、第一外壁面２１Ｂに圧電素子３２、及び抑制部３３を設ける構成としてもよい。この場合、第一壁２１として、例えばＳｉにより構成された第一基板と、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２により構成された第二基板との積層構造とすることが好ましい。
【0038】
［変形例２］
上記第一実施形態及び第二実施形態として、超音波素子３０を第一壁２１に設け、Ｚ方向に超音波を送信する構成を例示したが、第二壁２２に超音波素子３０を設ける構成としてもよい。または、第一壁２１に直交する第三壁又は第四壁に超音波素子３０を設け、Ｙ方向に超音波を送信する構成としてもよい。
上記第一実施形態及び第二実施形態として、超音波素子３０を第一壁２１に設け、Ｚ方向に超音波を送信する構成を例示したが、第二壁２２に超音波素子３０を設ける構成としてもよい。または、第一壁２１に直交する第三壁又は第四壁に超音波素子３０を設け、Ｙ方向に超音波を送信する構成としてもよい。
【0039】
［変形例３］
第二実施形態において、第二壁２２の第二外壁面２２Ｂに超音波反射部５０を設け、振動板３１と超音波反射部５０との間で超音波を反射させて定在波ＳＷを形成する構成と例示した。これに対して、超音波反射部５０を設けず、第一壁２１及び第二壁２２の間で超音波を反射させて定在波ＳＷを形成する構成としてもよい。または、振動板３１と第二壁２２との間で定在波ＳＷを形成する構成としてもよい。
第二実施形態において、第二壁２２の第二外壁面２２Ｂに超音波反射部５０を設け、振動板３１と超音波反射部５０との間で超音波を反射させて定在波ＳＷを形成する構成と例示した。これに対して、超音波反射部５０を設けず、第一壁２１及び第二壁２２の間で超音波を反射させて定在波ＳＷを形成する構成としてもよい。または、振動板３１と第二壁２２との間で定在波ＳＷを形成する構成としてもよい。
【0040】
定在波ＳＷを形成する両界面の位置に応じて、超音波素子３０から送信する超音波の周波数（波長）を適切に設定してもよい。例えば、第一内壁面２１Ａと第二内壁面２２Ａとの間で定在波ＳＷを形成する場合、第一内壁面２１Ａ及び第二内壁面２２Ａの距離に対応して、定在波ＳＷの条件に合った周波数の超音波を超音波素子３０から送信する。
【0041】
［変形例４］
第二実施形態において、振動板３１及び超音波反射部５０の固有音響インピーダンスを、第一壁２１及び第二壁２２の固有音響インピーダンスよりも大きくしたが、振動板３１及び超音波反射部５０の固有音響インピーダンスを、第一壁２１及び第二壁２２の固有音響インピーダンスよりも小さくしてもよい。
この場合、第一壁２１から振動板３１に入射した超音波が反射する際、また、第二壁２２から超音波反射部５０に入射した超音波が反射する際に、位相反転は生じず、定在波ＳＷの節の位置が変動する。
第二実施形態において、振動板３１及び超音波反射部５０の固有音響インピーダンスを、第一壁２１及び第二壁２２の固有音響インピーダンスよりも大きくしたが、振動板３１及び超音波反射部５０の固有音響インピーダンスを、第一壁２１及び第二壁２２の固有音響インピーダンスよりも小さくしてもよい。
この場合、第一壁２１から振動板３１に入射した超音波が反射する際、また、第二壁２２から超音波反射部５０に入射した超音波が反射する際に、位相反転は生じず、定在波ＳＷの節の位置が変動する。
【0042】
［本開示のまとめ］
本開示の第一態様の流体デバイスは、流体が流通する流路を構成する流路壁と、前記流路壁に配置される超音波素子とを有し、超音波を用いて前記流体中の微粒子を捕捉する流体デバイスであって、前記超音波素子は、前記流路壁と一体となる平坦な第一面、及び前記第一面と反対側の第二面を有する振動板と、前記振動板の前記第二面に設けられる圧電素子と、前記第一面から前記第二面に向かう方向から見たときに前記圧電素子を囲うように前記第二面に配置され、前記振動板の振動を抑制する抑制部と、を備える。
本開示の第一態様の流体デバイスは、流体が流通する流路を構成する流路壁と、前記流路壁に配置される超音波素子とを有し、超音波を用いて前記流体中の微粒子を捕捉する流体デバイスであって、前記超音波素子は、前記流路壁と一体となる平坦な第一面、及び前記第一面と反対側の第二面を有する振動板と、前記振動板の前記第二面に設けられる圧電素子と、前記第一面から前記第二面に向かう方向から見たときに前記圧電素子を囲うように前記第二面に配置され、前記振動板の振動を抑制する抑制部と、を備える。
【0043】
平坦な第一面が流路壁と一体に構成されることで、第一面から超音波を送信する際に気泡などの空気層が介在しない。よって、超音波の伝搬効率の低下を抑制でき、微粒子を捕捉するための定在波を適正に形成できる。
【0044】
第一態様の流体デバイスにおいて、前記第一面は、前記流路壁の前記流体に接する内壁面と面一に設けられ、前記流路内の前記流体に接することが好ましい。
本態様では、平坦な第一面が流路を流れる流体に接するため、流体に気泡が含まれていても、当該気泡が第一面に付着しない。このため、第一面から超音波を送信した場合でも、気泡による超音波の伝搬効率の低下がなく、適正に定在波を形成できる。
本態様では、平坦な第一面が流路を流れる流体に接するため、流体に気泡が含まれていても、当該気泡が第一面に付着しない。このため、第一面から超音波を送信した場合でも、気泡による超音波の伝搬効率の低下がなく、適正に定在波を形成できる。
【0045】
第一態様の流体デバイスにおいて、前記流路壁は、前記流路内の前記流体に面する内壁面と、内壁面とは反対側の外壁面とを備え、前記振動板の前記第一面は、前記外壁面に対向して、当該外壁面に接合されてもよい。
つまり、超音波素子の振動板の第一面が平坦面であり、その第一面が流路壁の外壁面と面一になるように設けられている。これにより、第一面と外壁面との間に空気層が介在せず、空気層によって超音波の伝搬が阻害される不都合を抑制でき、適正な定在波ＳＷを形成することができる。
つまり、超音波素子の振動板の第一面が平坦面であり、その第一面が流路壁の外壁面と面一になるように設けられている。これにより、第一面と外壁面との間に空気層が介在せず、空気層によって超音波の伝搬が阻害される不都合を抑制でき、適正な定在波ＳＷを形成することができる。
【0046】
上記態様の流体デバイスにおいて、前記流路壁は、前記超音波素子が配置される第一壁と、前記第一壁に対向する第二壁を含み、前記第二壁の前記外壁面に、超音波を反射する超音波反射部が設けられていることが好ましい。
これにより、第二壁の第二外壁面に超音波反射部が設けられているので、第二壁と超音波反射部との間で超音波を反射することができ、超音波の損失を抑制できる。また、超音波反射部と振動板との間で定在波を形成することができる。
これにより、第二壁の第二外壁面に超音波反射部が設けられているので、第二壁と超音波反射部との間で超音波を反射することができ、超音波の損失を抑制できる。また、超音波反射部と振動板との間で定在波を形成することができる。
【0047】
上記態様の流体デバイスにおいて、前記流路壁の密度をρｗ、前記流路壁における音速をｃｗとし、前記振動板の密度をρｓ、前記振動板における音速をｃｓとし、前記超音波反射部の密度をρｒ、前記超音波反射部における音速をｃｒとした場合に、ρｗ×ｃｗ＜ρｓ×ｃｓかつ、ρｗ×ｃｗ＜ρｒ×ｃｒを満たすことが好ましい。
これにより、第一壁から振動板に入射する超音波は、第一壁と振動板との界面である第一面において反射し、かつ、位相が反転する。同様に、第二壁から超音波反射部に入射する超音波は、第二壁と超音波反射部との界面で反射し、かつ位相が反転する。これにより、振動板と超音波反射部の間で定在波を形成することができる。
これにより、第一壁から振動板に入射する超音波は、第一壁と振動板との界面である第一面において反射し、かつ、位相が反転する。同様に、第二壁から超音波反射部に入射する超音波は、第二壁と超音波反射部との界面で反射し、かつ位相が反転する。これにより、振動板と超音波反射部の間で定在波を形成することができる。
【符号の説明】
【0048】
１０，１０Ａ…流体デバイス、２０…流路、２１…第一壁、２１Ａ…第一内壁面、２１Ｂ…第一外壁面、２２…第二壁、２２Ａ…第二内壁面、２２Ｂ…第二外壁面、３０…超音波素子、３１…振動板、３１Ａ…第一面、３１Ｂ…第二面、３２…圧電素子、３３…抑制部、３４…封止板、４０…制御部、５０…超音波反射部、３１１…第一基板、３１２…第二基板、３２１…第一電極、３２２…圧電体層、３２３…第二電極。
と反対側の第二面を有する振動板と、前記振動板の前記第二面に設けられる圧電素子と、前記第一面から前記第二面に向かう方向から見たときに前記圧電素子を囲うように前記第二面に配置され、前記振動板の振動を抑制する抑制部と、を備える。
と反対側の第二面を有する振動板と、前記振動板の前記第二面に設けられる圧電素子と、前記第一面から前記第二面に向かう方向から見たときに前記圧電素子を囲うように前記第二面に配置され、前記振動板の振動を抑制する抑制部と、を備える。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】