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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】P2024005405
(43)【公開日】2024-01-17
(54)【発明の名称】流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法
(51)【国際特許分類】
G01P 5/24 20060101AFI20240110BHJP
H04R 3/00 20060101ALI20240110BHJP
G01F 1/66 20220101ALI20240110BHJP
H04R 17/00 20060101ALI20240110BHJP
【ＦＩ】
G01P5/24 B
H04R3/00 330
G01F1/66 101
H04R17/00 332A
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022105578
(22)【出願日】2022-06-30
(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】110000637
【氏名又は名称】弁理士法人樹之下知的財産事務所
(72)【発明者】
【氏名】小島 力
(72)【発明者】
【氏名】新井 義雄
(72)【発明者】
【氏名】久保 景太
(72)【発明者】
【氏名】冨岡 紘斗
【テーマコード（参考）】
2F035
5D019
【Ｆターム（参考）】
2F035DA05
2F035DA09
2F035DA14
5D019AA25
5D019BB14
5D019FF02
(57)【要約】
【課題】流体の流速を測定できる流体デバイスおよび流体デバイスの制御方法を提供する。
【解決手段】流体デバイスは、流体が流通する流路２０と、流路２０に設けられ、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３０と、複数の超音波素子３３の駆動を制御する駆動制御部と、流体の流速を測定する流速測定部と、を備え、駆動制御部は、超音波素子アレイ３０のうち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第１超音波素子３３Ａと第２超音波素子３３Ｂとの間で、流体を介して超音波を互いに送受信させ、流速測定部は、第１超音波素子３３Ａから第２超音波素子３３Ｂまでの第１超音波伝搬時間と、第２超音波素子３３Ｂから第１超音波素子３３Ａまでの第２超音波伝搬時間との差に基づいて流速を測定する。
【選択図】図２
【解決手段】流体デバイスは、流体が流通する流路２０と、流路２０に設けられ、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３０と、複数の超音波素子３３の駆動を制御する駆動制御部と、流体の流速を測定する流速測定部と、を備え、駆動制御部は、超音波素子アレイ３０のうち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第１超音波素子３３Ａと第２超音波素子３３Ｂとの間で、流体を介して超音波を互いに送受信させ、流速測定部は、第１超音波素子３３Ａから第２超音波素子３３Ｂまでの第１超音波伝搬時間と、第２超音波素子３３Ｂから第１超音波素子３３Ａまでの第２超音波伝搬時間との差に基づいて流速を測定する。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
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。
【請求項2】
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。
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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。
【請求項5】
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。
【請求項6】
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。
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。
【請求項7】
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。
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。
【請求項8】
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。
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】国際公開第２００５／０５８４５９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【課題を解決するための手段】
【0005】
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。
【0006】
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。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】第１実施形態の流体デバイスを示すブロック図。
【図2】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。
【図3】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。
【図5】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。
【図6】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。
【図7】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。
【図8】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。
【図9】第３実施形態の流体デバイスを示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
［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。
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。
【0009】
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。
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。
【0010】
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。
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
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。
【0015】
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。
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。
【0016】
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）。
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）。
【0017】
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。
【0018】
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。
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
（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。
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。
【数1】
【0026】
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。
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。
【0027】
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。
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。
【0028】
（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。
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。
【0029】
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。
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。
【0030】
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。
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
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。
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。
【数2】
【数3】
【数4】
【数5】
【0033】
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。
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。
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。
【数6】
【数7】
【数8】
【0034】
（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。
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
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。
【0037】
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。
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
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。
【0044】
（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。
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
［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。
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。
【0049】
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。
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。
【0050】
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。
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。
【0051】
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。
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。
【0052】
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。
【数9】
【数10】
【数11】
【0053】
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。
【0054】
［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。
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。
【0055】
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。
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
［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。
【0059】
（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。
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。
【0060】
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。
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。
【0061】
（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。
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。
【0062】
（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。
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。
【0063】
（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。
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。
【0064】
（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。
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。
【0065】
（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。
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。
【0066】
［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。
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。
【0067】
（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。
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。
【0068】
（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。
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。
【0069】
（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。
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。
【0070】
（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。
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。
【0071】
（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。
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。
【0072】
（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。
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。
【0073】
（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。
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。
【符号の説明】
【0074】
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。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】