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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-07
(45)【発行日】2024-10-16
(54)【発明の名称】流体デバイス
(51)【国際特許分類】
B01J 19/10 20060101AFI20241008BHJP
C02F 1/36 20230101ALI20241008BHJP
B81B 1/00 20060101ALN20241008BHJP
【ＦＩ】
B01J19/10
C02F1/36
B81B1/00
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2020173212
(22)【出願日】2020-10-14
(65)【公開番号】P2022064524
(43)【公開日】2022-04-26
【審査請求日】2023-07-07
(73)【特許権者】
【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】小野木 智英
(72)【発明者】
【氏名】清瀬 摂内
(72)【発明者】
【氏名】宮坂 満
【審査官】壷内 信吾
(56)【参考文献】
【文献】特開平０７－０４７２５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－０５７４５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１９－５０７６８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１２－５０３７７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１２２７６２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０１Ｊ １０／００－１２／０２，１４／００－１９／３２
Ｂ０１Ｆ ３５／００－３５／９５
Ｂ０１Ｄ ３５／０６，４３／００，５７／００－５７／０２
Ｂ０１Ｄ ４９／００－５１／１０
Ｃ０２Ｆ １／２０－１／２６，１／３０－１／３８
Ｂ８１Ｂ １／００－７／０４
Ｂ８１Ｃ １／００－９９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第一軸に沿った筒状の側壁を有し、前記第一軸の一方側に設けられる流入部から、前記第一軸の他方側に設けられる流出部に向かって、筒内部に流体を流通させる流通本体部と、前記流通本体部の前記第一軸の前記他方側に設けられて、前記第一軸に交差する第一面を有する板部と、
前記第一面から前記第一軸の前記一方側に向かって延伸し、前記側壁よりも前記第一軸に沿う長さが短い筒状の立壁と、
前記第一面において前記立壁及び前記立壁に囲われる領域を回収領域とした場合に、前記板部の前記回収領域の外側に配置され、前記第一軸に沿って非定在波となる超音波を送信する超音波素子と、
を備える流体デバイス。
【請求項2】
前記流入部は、前記第一軸に対して交差する第二軸から前記流通本体部に前記流体を流入させる流入口を備える、請求項１に記載の流体デバイス。
【請求項3】
前記流出部は、前記第一軸に対して交差する第三軸に沿って前記流体を流出させる流出口を備える、請求項１または請求項２に記載の流体デバイス。
【請求項4】
前記立壁は、前記第一面から第一位置まで前記第一軸の前記一方側に向かって延伸し、前記第一位置は、前記流体の流れによって、前記流体中の微粒子を前記第一軸に交差する方向に沿って前記側壁に向かって移動させる応力と、前記超音波による音響放射力とが釣り合う位置である、
請求項３に記載の流体デバイス。
【請求項5】
前記超音波素子は、前記第一面の前記回収領域以外の領域を覆って設けられている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の流体デバイス。
【請求項6】
第一軸に沿った筒状の側壁を有し、前記第一軸の一方側に設けられる流入部から、前記第一軸の他方側に設けられる流出部に向かって、筒内部に流体を流通させる流通本体部と、前記流通本体部の前記第一軸の前記他方側に設けられ、前記第一軸に沿う軸方向を有し、前記第一軸に沿って延伸し、前記側壁よりも前記第一軸に沿う長さが短い筒状の立壁と、
前記第一軸に沿って見た場合に、前記立壁と前記側壁との間で、前記立壁を囲うビーム形状の非定在波となる超音波を前記第一軸に沿って送信する超音波素子と、
を備える流体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、流体を処理する流体デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、海洋プラスチックごみの問題が世界で注目されており、プラスチックごみの削減が急務となっている。この海洋ブラスチックごみには、プラスチック製の袋やペットボトルの他、細かい粒子状のマイクロプラスチックも含まれる。このような、マイクロプラスチックは、衣服を洗濯した洗濯水、歯磨き粉や洗顔材の洗浄水に含まれ、これらの流体からマイクロプラスチックなどの微粒子を除去する技術が求められている。
流体に含まれる微粒子を除去する方法としては、例えば、マイクロ流体チップが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
この非特許文献１に記載の流体デバイスは、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。
このため、定在波の節の部分に収束した微粒子を分離することで、流体と微粒子とを分離することが可能となる。
流体に含まれる微粒子を除去する方法としては、例えば、マイクロ流体チップが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
この非特許文献１に記載の流体デバイスは、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。
このため、定在波の節の部分に収束した微粒子を分離することで、流体と微粒子とを分離することが可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】太田亘俊（Nobutoshi Ota）、他６名、"マイクロ流体デバイスの薄化によるマイクロナノ粒子の音響集束の強化（Enhancement in acoustic focusing of micro and nanoparticles by thinning a microfluidic device）"、２０１９年１２月、ロイヤルソサエティー・オープンサイエンス（Royal Society Open Science）、第６巻、第２号、記事番号１８１７７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、非特許文献１に記載のマイクロ流体チップは、流路内に定在波を形成する必要があるが、適正な定在波を形成するためには、流路幅を大きくできない。すなわち、洗濯水のような大量の水から微粒子を効率よく除去するためには、流路幅を大きくし、流速も上げる必要がある。しかしながら、微粒子を補足するための定在波の条件には、流路幅に制限がある。流路幅が大きいと、その分、超音波の音圧も大きくする必要があるが、音圧を上げると、高調波が発生して超音波の波形が歪み、さらには、音響流も発生しやすくなる。また、流路幅が大きいと、流路内に複数の節を有する定在波が形成される。このため、流路内の一定位置を節とした定在波を形成することが困難となる。
また、流体の流量を上げるために流体の流速を上げることも考えられる。しかしながら、流速を上げた場合でも、超音波の音圧を上げる必要があり、上記と同様、定在波の形成が困難となる。
また、流体の流量を上げるために流体の流速を上げることも考えられる。しかしながら、流速を上げた場合でも、超音波の音圧を上げる必要があり、上記と同様、定在波の形成が困難となる。
【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、第一軸に沿った筒状の側壁を有し、前記第一軸の一方側に設けられる流入部から、前記第一軸の他方側に設けられる流出部に向かって、筒内部に流体を流通させる流通本体部と、前記流通本体部の前記第一軸の前記他方側に設けられて、前記第一軸に交差する第一面を有する板部と、前記第一面から前記第一軸の前記一方側に向かって延伸し、前記側壁よりも前記第一軸に沿う長さが短い筒状の立壁と、前記第一面において前記立壁及び前記立壁に囲われる領域を回収領域とした場合に、前記板部の前記回収領域の外側に配置され、前記第一軸に沿って超音波を送信する超音波素子と、を備える。
【0006】
本開示の第二態様に係る流体デバイスは、第一軸に沿った筒状の側壁を有し、前記第一軸の一方側に設けられる流入部から、前記第一軸の他方側に設けられる流出部に向かって、筒内部に流体を流通させる流通本体部と、前記流通本体部の前記第一軸の前記他方側に設けられ、前記第一軸に沿う軸方向を有し、前記第一軸に沿って延伸し、前記側壁よりも前記第一軸に沿う長さが短い筒状の立壁と、前記第一軸に沿って見た場合に、前記立壁と前記側壁との間で、前記立壁を囲うビーム形状の超音波を前記第一軸に沿って送信する超音波素子と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本開示に係る一実施形態の流体デバイスを備えた排水システムの概略構成を示す図。
【図2】本実施形態の流体デバイスを分解した分解図。
【図3】本実施形態の超音波素子の概略構成を示す断面図。
【図4】本実施形態において、流出側端板をＺ方向から見た、超音波素子の配置領域を示す平面図。
【図5】本実施形態の流体デバイスにおいて、超音波素子から超音波を送信した際の超音波の音圧分布を示す図。
【図7】本実施形態の流体デバイスにおいて、Ｚ軸に平行な方向に対する流体の流速分布を示す図。
【図8】本実施形態の流体デバイスにおいて、Ｚ軸に平行な方向に対する流体の流速分布を示す図。
【図9】本実施形態の流体デバイスにおいて、Ｚ軸に直交する方向に対する流体の流速分布を示す図。
【図10】本実施形態の流体デバイスにおいて、Ｚ軸に直交する方向に対する流体の流速分布を示す図。
【図11】抗力係数とレイノルズ数との関係を示す図。
【図12】本実施形態の流体デバイスにおいて、流体中の微粒子に対して作用する応力を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、本開示に係る一実施形態の流体デバイスについて説明する。
図１は、本実施形態の流体デバイス１０を備えた排水システム１の概略構成を示す図である。
本実施形態の排水システム１は、例えば、洗濯機や洗面台等の水処理部２から排出される水（流体）を流体デバイス１０に導入し、流体デバイス１０により流体からマイクロプラスチック等の微粒子Ｗを取り除き、微粒子Ｗが取り除かれた流体を汚水として排出部３に流し、排出部３から下水管等に排出する機構である。
図１は、本実施形態の流体デバイス１０を備えた排水システム１の概略構成を示す図である。
本実施形態の排水システム１は、例えば、洗濯機や洗面台等の水処理部２から排出される水（流体）を流体デバイス１０に導入し、流体デバイス１０により流体からマイクロプラスチック等の微粒子Ｗを取り除き、微粒子Ｗが取り除かれた流体を汚水として排出部３に流し、排出部３から下水管等に排出する機構である。
【0009】
［流体デバイスの構成］
図２は、流体デバイス１０を分解した分解図である。
流体デバイス１０は、図１、図２に示すように、胴部１１と、胴部１１の一端部に接続される流入部１２と、胴部１１の他端部に接続される流出部１３と、超音波素子１５や回収部１６が設けられる回収駆動部１４と、を備える。胴部１１、流入部１２、及び流出部１３により、本開示の流通本体部が構成される。
図２は、流体デバイス１０を分解した分解図である。
流体デバイス１０は、図１、図２に示すように、胴部１１と、胴部１１の一端部に接続される流入部１２と、胴部１１の他端部に接続される流出部１３と、超音波素子１５や回収部１６が設けられる回収駆動部１４と、を備える。胴部１１、流入部１２、及び流出部１３により、本開示の流通本体部が構成される。
【0010】
（胴部１１の構成）
胴部１１は、第一軸であるＺ軸に沿って延伸する第一側壁１１１を有する。第一側壁１１１は、Ｚ軸を中心軸とした筒形状を有する。第一側壁１１１のＺ軸に直交する断面における形状は特に限定されないが、図２に示すように、円筒状に形成されていることが好ましい。円筒状に形成されることにより、胴部１１内での乱流の発生を抑制できる。
胴部１１には、Ｚ軸に沿って流入部１２から流出部１３に向かって、流入部１２から流入した流体が流される。
胴部１１は、第一軸であるＺ軸に沿って延伸する第一側壁１１１を有する。第一側壁１１１は、Ｚ軸を中心軸とした筒形状を有する。第一側壁１１１のＺ軸に直交する断面における形状は特に限定されないが、図２に示すように、円筒状に形成されていることが好ましい。円筒状に形成されることにより、胴部１１内での乱流の発生を抑制できる。
胴部１１には、Ｚ軸に沿って流入部１２から流出部１３に向かって、流入部１２から流入した流体が流される。
【0011】
（流入部１２の構成）
流入部１２は、胴部１１に流す流体が導入される部分であり、例えば、Ｏリング等により構成された流入側シール機構１２１を介して、胴部１１に接続される。流入部１２は、第二側壁１２２と、流入側蓋部１２３と、流入口１２４とを備える。
流入部１２は、胴部１１に流す流体が導入される部分であり、例えば、Ｏリング等により構成された流入側シール機構１２１を介して、胴部１１に接続される。流入部１２は、第二側壁１２２と、流入側蓋部１２３と、流入口１２４とを備える。
【0012】
第二側壁１２２は、第一側壁１１１に連続する円筒状に形成されている。つまり、第二側壁１２２は、Ｚ軸を中心軸とした円筒形状を有し、胴部１１側の開口が、胴部１１の第一側壁１１１の筒内部と連通する。
【0013】
流入側蓋部１２３は、第二側壁１２２の胴部１１とは反対側の端面を閉塞する。なお、本実施形態では、後述する超音波素子１５によって、流体デバイス１０内にＺ軸に沿って超音波を送信するが、当該超音波として非定在波であることが好ましい。この場合、流入側蓋部１２３として、流体に接する面が音波を吸収する吸収面とすることが好ましい。これにより、流体デバイス１０内での定在波の形成を抑制できる。
【0014】
流入口１２４は、第二側壁１２２に接続され、水処理部２から排水された流体を、Ｚ軸に交差する第二軸に沿って流体デバイス１０の筒内部に流入させる。好ましくは、第二軸は、第一軸であるＺ軸に対して直交する軸であり、Ｚ軸に向かって流体を流入させる。
より好ましくは、流入口１２４は、流入部１２に複数設けられ、複数の流入口１２４がＺ軸を挟んで対向配置される。これにより、各流入口１２４から導入される流体内の粒子には、それぞれ、流体デバイス１０の中心軸であるＺ軸に向かう応力が付与される。
また、第二軸としては、Ｚ軸に直交する１軸方向に限定されない。すなわち、第二軸としては、Ｚ軸に直交する複数の軸であってもよい。例えば、本実施形態では、図２に示すように、Ｚ軸に直交するＸ１軸、Ｚ軸及びＸ１軸に直交する軸をＹ１軸（図２参照）として、Ｘ１軸上でＺ軸に対して対向する一対の流入口１２４、及び、Ｙ１軸上でＺ軸に対して対向する一対の流入口１２４がそれぞれ設けられている。
より好ましくは、流入口１２４は、流入部１２に複数設けられ、複数の流入口１２４がＺ軸を挟んで対向配置される。これにより、各流入口１２４から導入される流体内の粒子には、それぞれ、流体デバイス１０の中心軸であるＺ軸に向かう応力が付与される。
また、第二軸としては、Ｚ軸に直交する１軸方向に限定されない。すなわち、第二軸としては、Ｚ軸に直交する複数の軸であってもよい。例えば、本実施形態では、図２に示すように、Ｚ軸に直交するＸ１軸、Ｚ軸及びＸ１軸に直交する軸をＹ１軸（図２参照）として、Ｘ１軸上でＺ軸に対して対向する一対の流入口１２４、及び、Ｙ１軸上でＺ軸に対して対向する一対の流入口１２４がそれぞれ設けられている。
【0015】
（流出部１３の構成）
流出部１３は、胴部１１を流れた流体が外部に流出する部分であり、例えば、Ｏリング等により構成された流出側シール機構１３１を介して、胴部１１に接続される。流出部１３は、第三側壁１３２と、流出口１３３と、を備える。
流出部１３は、胴部１１を流れた流体が外部に流出する部分であり、例えば、Ｏリング等により構成された流出側シール機構１３１を介して、胴部１１に接続される。流出部１３は、第三側壁１３２と、流出口１３３と、を備える。
【0016】
第三側壁１３２は、第一側壁１１１に連続する円筒状に形成されている。つまり、第三側壁１３２は、Ｚ軸を中心軸とした円筒形状を有し、胴部１１側の開口端が、胴部１１の第一側壁１１１の筒内部と連通する。
【0017】
流出口１３３は、第三側壁１３２に接続され、流体デバイス１０を流れた流体を排出部３に流出させる。流出口１３３の構成については、流体を外部に流出させる構成であれば、特に限定されないが、図１及び図２に示すように、第三側壁１３２に接続され、Ｚ軸に交差する第三軸に沿って流体デバイス１０の筒内部から流体を流出させることが好ましい。つまり、後述する駆動板１４３には、超音波素子１５が配置されており、この超音波素子１５は、回収部１６を除く駆動板１４３の全体を覆って設けられている。このような構成において、駆動板１４３に流出口１３３を接続すると、超音波素子１５の配置面積が減少することで、超音波素子１５から送信される超音波の音圧が低下する。これに対して、第三側壁１３２に流出口１３３を接続することで、超音波素子１５の配置面積を十分に取ることができる。
また、流出口１３３によって流体が排出される方向、つまり、流出口１３３の軸である第三軸は、第二軸（Ｘ１軸、Ｙ１軸）のようにＺ軸に対して直交する必要はない。つまり、流出口１３３は、第三側壁１３２から流体を流出させればよく、その方向は特に限定されない。本実施形態では、流出口１３３は、Ｘ１軸に平行なＸ２軸、Ｙ１軸に平行なＹ２軸（図２参照）に沿って設けられているが、例えば、Ｘ２軸及びＹ２軸に対して、４５度の角度となる軸に沿って流出口１３３が設けられていてもよい。また、Ｚ方向から見た際に、第三側壁１３２の接線方向に流体を排出させる流出口１３３が設けられていてもよい。
さらに、流出口１３３としては、Ｚ軸に対して対称となる位置に複数設けられることが好ましい。これにより、流体デバイス１０において、流入部１２から流出部１３に向かうＺ軸に沿った流体の流れを均一にできる。Ｚ軸に対称となる位置とは、例えば、Ｚ軸を挟んで対向する位置に流出口１３３を設けてもよく、Ｚ方向から見た際に、流出口１３３が回転対称となるように、つまり、Ｚ軸を中心に等角度間隔に流出口１３３が設けられてもよい。
また、流出口１３３によって流体が排出される方向、つまり、流出口１３３の軸である第三軸は、第二軸（Ｘ１軸、Ｙ１軸）のようにＺ軸に対して直交する必要はない。つまり、流出口１３３は、第三側壁１３２から流体を流出させればよく、その方向は特に限定されない。本実施形態では、流出口１３３は、Ｘ１軸に平行なＸ２軸、Ｙ１軸に平行なＹ２軸（図２参照）に沿って設けられているが、例えば、Ｘ２軸及びＹ２軸に対して、４５度の角度となる軸に沿って流出口１３３が設けられていてもよい。また、Ｚ方向から見た際に、第三側壁１３２の接線方向に流体を排出させる流出口１３３が設けられていてもよい。
さらに、流出口１３３としては、Ｚ軸に対して対称となる位置に複数設けられることが好ましい。これにより、流体デバイス１０において、流入部１２から流出部１３に向かうＺ軸に沿った流体の流れを均一にできる。Ｚ軸に対称となる位置とは、例えば、Ｚ軸を挟んで対向する位置に流出口１３３を設けてもよく、Ｚ方向から見た際に、流出口１３３が回転対称となるように、つまり、Ｚ軸を中心に等角度間隔に流出口１３３が設けられてもよい。
【0018】
（回収駆動部１４の構成）
回収駆動部１４は、胴部１１、流入部１２、流出部１３により構成される流通本体部のうち流出部１３側に設けられている。この回収駆動部１４は、例えば、Ｏリング等により構成された駆動シール機構１４１を介して、流出部１３に接続される。回収駆動部１４は、第四側壁１４２と、駆動板１４３と、収納ボックス１４４と、超音波素子１５と、回収部１６と、制御回路１７と、を備える。
回収駆動部１４は、胴部１１、流入部１２、流出部１３により構成される流通本体部のうち流出部１３側に設けられている。この回収駆動部１４は、例えば、Ｏリング等により構成された駆動シール機構１４１を介して、流出部１３に接続される。回収駆動部１４は、第四側壁１４２と、駆動板１４３と、収納ボックス１４４と、超音波素子１５と、回収部１６と、制御回路１７と、を備える。
【0019】
第四側壁１４２は、第三側壁１３２に連続する円筒状に形成されている。つまり、第四側壁１４２は、Ｚ軸を中心軸とした円筒形状を有し、流出部１３側の開口端が、流出部１３の第三側壁１３２の筒内部と連通する。
【0020】
駆動板１４３は、本開示の板部に相当し、第四側壁１４２の流出部１３とは反対側の端面を閉塞する。この駆動板１４３は、例えば板状部材により構成されており、流出部１３側の面が、本開示の第一面である駆動面１４３Ａを構成する。駆動板１４３の駆動面１４３Ａとは反対側には、超音波素子１５が配置されている。詳細は後述するが、超音波素子１５が駆動されることで、駆動面１４３Ａから流体デバイス１０内の流体中に超音波が送信される。
【0021】
また、駆動面１４３Ａの中心、つまり、駆動面１４３Ａと、Ｚ軸と、が交差する位置には、流体中の微粒子Ｗを回収する回収部１６が設けられている。回収部１６についての詳細な説明は後述する。
【0022】
収納ボックス１４４は、回収駆動部１４において、駆動板１４３を挟んで流出部１３とは反対側に設けられている収納部分であり、超音波素子１５、及び制御回路１７が設けられている。
【0023】
（超音波素子１５の構成）
超音波素子１５は、図１及び図２に示すように、駆動板１４３の駆動面１４３Ａとは反対側の面に配置されている。
図３は、超音波素子１５の概略構成を示す断面図である。
超音波素子１５は、図３に示すように、素子基板１５１と、振動板１５２と、圧電素子１５３と、を備えて構成されている。
ここで、以降の説明にあたり、素子基板１５１の基板厚み方向は、Ｚ軸に平行な方向であり、図３の矢印の向きである＋Ｚは、超音波の送信方向、つまり、流入部１２に向かう方向とする。
素子基板１５１は、振動板１５２を支持する基板であり、Ｓｉ等の半導体基板で構成される。素子基板１５１には、Ｚ軸に平行なＺ方向に沿って素子基板１５１を貫通する開口部１５１Ａが設けられている。
超音波素子１５は、図１及び図２に示すように、駆動板１４３の駆動面１４３Ａとは反対側の面に配置されている。
図３は、超音波素子１５の概略構成を示す断面図である。
超音波素子１５は、図３に示すように、素子基板１５１と、振動板１５２と、圧電素子１５３と、を備えて構成されている。
ここで、以降の説明にあたり、素子基板１５１の基板厚み方向は、Ｚ軸に平行な方向であり、図３の矢印の向きである＋Ｚは、超音波の送信方向、つまり、流入部１２に向かう方向とする。
素子基板１５１は、振動板１５２を支持する基板であり、Ｓｉ等の半導体基板で構成される。素子基板１５１には、Ｚ軸に平行なＺ方向に沿って素子基板１５１を貫通する開口部１５１Ａが設けられている。
【0024】
振動板１５２は、ＳｉＯ２や、ＳｉＯ２及びＺｒＯ２の積層体等より構成され、素子基板１５１の－Ｚ側に設けられる。この振動板１５２は、開口部１５１Ａを構成する素子基板１５１の隔壁１５１Ｂにより支持され、開口部１５１Ａの－Ｚ側を閉塞する。振動板１５２のうち、Ｚ方向から見た際に開口部１５１Ａと重なる部分は、振動部１５２Ａを構成する。
【0025】
圧電素子１５３は、振動板１５２上で、かつ、Ｚ方向から見た際に、各振動部１５２Ａと重なる位置に設けられている。この圧電素子１５３は、図３に示すように、振動板１５２上に第一電極１５３Ａ、圧電膜１５３Ｂ、及び第二電極１５３Ｃが、－Ｚ側に向かって順に積層されることにより構成されている。
【0026】
図４は、駆動板１４３をＺ方向にから見た平面図であり、超音波素子１５の配置領域を示す図である。
本実施形態では、１つの振動部１５２Ａと、当該振動部１５２Ａ上に設けられた圧電素子１５３とにより、１つの超音波トランスデューサーＴｒが構成される。図示は省略するが、本実施形態では、このような超音波トランスデューサーＴｒが、２次元アレイ構造に配置されることで、超音波素子１５が構成されている。
そして、本実施形態では、図４に示すように、超音波素子１５は、駆動板１４３の回収部１６と重なる領域（回収領域Ａ１）を除く領域全体（周囲領域Ａ２）を覆って、つまり、回収領域Ａ１を囲う周囲領域Ａ２に配置されている。
本実施形態では、１つの振動部１５２Ａと、当該振動部１５２Ａ上に設けられた圧電素子１５３とにより、１つの超音波トランスデューサーＴｒが構成される。図示は省略するが、本実施形態では、このような超音波トランスデューサーＴｒが、２次元アレイ構造に配置されることで、超音波素子１５が構成されている。
そして、本実施形態では、図４に示すように、超音波素子１５は、駆動板１４３の回収部１６と重なる領域（回収領域Ａ１）を除く領域全体（周囲領域Ａ２）を覆って、つまり、回収領域Ａ１を囲う周囲領域Ａ２に配置されている。
【0027】
このような超音波素子１５では、各超音波トランスデューサーＴｒの第一電極１５３Ａ及び第二電極１５３Ｃの間に所定周波数のパルス波電圧が印加されることで、圧電膜１５３Ｂが伸縮する。これにより、振動部１５２Ａが開口部１５１Ａの開口幅等に応じた周波数で振動し、振動部１５２Ａから＋Ｚ側、つまり、流入部１２に向かって超音波が送信される。
また、本実施形態では、素子基板１５１の振動板１５２とは反対側の面が、駆動板１４３の駆動面１４３Ａとは反対側の面に接合される。この場合、各開口部１５１Ａに駆動板１４３と音響インピーダンスが略同一となる音響層を充填させる。これにより、超音波トランスデューサーＴｒから出力された超音波を、音響層、駆動板１４３を介して、流体デバイス１０内の流体に送信することができる。
上記のように、超音波素子１５は、回収領域Ａ１を囲う周囲領域Ａ２に設けられているので、超音波素子１５からＺ軸に沿って超音波を送信すると、流体デバイス１０に円筒状の超音波ビームを形成することができる。
また、本実施形態では、素子基板１５１の振動板１５２とは反対側の面が、駆動板１４３の駆動面１４３Ａとは反対側の面に接合される。この場合、各開口部１５１Ａに駆動板１４３と音響インピーダンスが略同一となる音響層を充填させる。これにより、超音波トランスデューサーＴｒから出力された超音波を、音響層、駆動板１４３を介して、流体デバイス１０内の流体に送信することができる。
上記のように、超音波素子１５は、回収領域Ａ１を囲う周囲領域Ａ２に設けられているので、超音波素子１５からＺ軸に沿って超音波を送信すると、流体デバイス１０に円筒状の超音波ビームを形成することができる。
【0028】
なお、図３に示す例では、駆動板１４３と、素子基板１５１及び振動板１５２とを別部材としたが、これに限定されない。例えば、素子基板１５１及び振動板１５２により、駆動板１４３が構成される構成としてもよい。この場合、振動板１５２が、流体デバイス１０内の流体に直接接するため、音響層を充填する必要はなく、音響層による音圧減衰も抑制でき、流体に効率よく超音波を伝搬させることができる。
また、本実施形態では、超音波素子１５として、振動部１５２Ａを振動させることで超音波を送信する超音波トランスデューサーＴｒがアレイ状に配置されることで構成される例を示すが、これに限定されない。例えば、バルク状の圧電体を駆動板１４３に固定し、圧電体に電圧を印加して圧電体自体を振動させて超音波を送信させる構成などとしてもよい。
さらに図３に示す例では、振動部１５２Ａが開口部１５１Ａの開口幅等に応じた周波数で振動し、振動部１５２Ａから＋Ｚ側、つまり、流入部１２に向かって超音波が送信されるとしたが、これに限定されない。例えば、図示はされないが、振動板１５２をレジスト等の振動抑制部を用いて複数の振動部１５２Ａに区画する構成とし、当該振動板１５２により駆動板１４３が構成される構成としてもよい。この場合、素子基板１５１が不要となり、かつ素子基板１５１の隔壁１５１Ｂに比べて、振動部１５２Ａ間の距離を小さくできる。このため、振動板１５２が、流体デバイス１０内の流体に直接接する面積が増え、音圧減衰も抑制でき、流体に効率よく超音波を伝搬させることができる。
また、本実施形態では、超音波素子１５として、振動部１５２Ａを振動させることで超音波を送信する超音波トランスデューサーＴｒがアレイ状に配置されることで構成される例を示すが、これに限定されない。例えば、バルク状の圧電体を駆動板１４３に固定し、圧電体に電圧を印加して圧電体自体を振動させて超音波を送信させる構成などとしてもよい。
さらに図３に示す例では、振動部１５２Ａが開口部１５１Ａの開口幅等に応じた周波数で振動し、振動部１５２Ａから＋Ｚ側、つまり、流入部１２に向かって超音波が送信されるとしたが、これに限定されない。例えば、図示はされないが、振動板１５２をレジスト等の振動抑制部を用いて複数の振動部１５２Ａに区画する構成とし、当該振動板１５２により駆動板１４３が構成される構成としてもよい。この場合、素子基板１５１が不要となり、かつ素子基板１５１の隔壁１５１Ｂに比べて、振動部１５２Ａ間の距離を小さくできる。このため、振動板１５２が、流体デバイス１０内の流体に直接接する面積が増え、音圧減衰も抑制でき、流体に効率よく超音波を伝搬させることができる。
【0029】
（回収部１６の構成）
次に、駆動板１４３に設けられる回収部１６について説明する。
回収部１６は、Ｚ軸を中心軸とした筒状の立壁１６１を有し、立壁１６１の内側、つまり、筒状の立壁１６１に囲われる筒内部は、流体中の微粒子Ｗが蓄積される蓄積部１６２を構成する。
この立壁１６１は、第一面である駆動面１４３Ａから第一位置１６１Ａ（図１参照）まで流入部１２に向かって延伸する。つまり、立壁１６１のＺ軸に沿う長さは、流通本体部の側壁（第一側壁１１１、第二側壁１２２、第三側壁１３２、第四側壁１４２）の長さよりも短い。
ここで、第一位置１６１Ａとは、流体中の微粒子Ｗに作用する、流体の流れによって側壁（第一側壁１１１、第二側壁１２２、第三側壁１３２、及び第四側壁１４２）側に向かう応力が、Ｚ軸に向かう応力と釣り合う位置である。これにより、立壁１６１の内側の蓄積部１６２に蓄積された微粒子Ｗの側壁側への移動が、立壁１６１により抑制される。
なお、第一位置１６１Ａについての詳細な説明は後述する。
次に、駆動板１４３に設けられる回収部１６について説明する。
回収部１６は、Ｚ軸を中心軸とした筒状の立壁１６１を有し、立壁１６１の内側、つまり、筒状の立壁１６１に囲われる筒内部は、流体中の微粒子Ｗが蓄積される蓄積部１６２を構成する。
この立壁１６１は、第一面である駆動面１４３Ａから第一位置１６１Ａ（図１参照）まで流入部１２に向かって延伸する。つまり、立壁１６１のＺ軸に沿う長さは、流通本体部の側壁（第一側壁１１１、第二側壁１２２、第三側壁１３２、第四側壁１４２）の長さよりも短い。
ここで、第一位置１６１Ａとは、流体中の微粒子Ｗに作用する、流体の流れによって側壁（第一側壁１１１、第二側壁１２２、第三側壁１３２、及び第四側壁１４２）側に向かう応力が、Ｚ軸に向かう応力と釣り合う位置である。これにより、立壁１６１の内側の蓄積部１６２に蓄積された微粒子Ｗの側壁側への移動が、立壁１６１により抑制される。
なお、第一位置１６１Ａについての詳細な説明は後述する。
【0030】
また、回収部１６には、蓄積された微粒子Ｗを回収する回収機構１６３が設けられている。
例えば、本実施形態では、図１及び図２に示すように、立壁１６１が、駆動板１４３を貫通して設けられ、立壁１６１の流入部１２とは反対側に、回収機構１６３を構成する微粒子採取管１６３Ａが接続されている。微粒子採取管１６３Ａは、採取弁１６３Ｂを備え、採取弁１６３Ｂが開かれることで、回収部１６に蓄積された微粒子Ｗが微粒子採取管１６３Ａから排出されて取り除かれる。
なお、回収機構１６３の構成としては、回収部１６に蓄積された微粒子Ｗを回収する機構であれば、特に限定されない。例えば、回収部１６が、立壁１６１と、立壁１６１の駆動板１４３側の端面を閉塞する底部とを備えた容器状に形成され、回収機構１６３は、駆動板１４３に対して回収部１６を着脱自在に固定する機構であってもよい。この場合、回収部１６を、駆動板１４３から取り外すことで、回収部１６に溜まった微粒子Ｗを回収することができる。
例えば、本実施形態では、図１及び図２に示すように、立壁１６１が、駆動板１４３を貫通して設けられ、立壁１６１の流入部１２とは反対側に、回収機構１６３を構成する微粒子採取管１６３Ａが接続されている。微粒子採取管１６３Ａは、採取弁１６３Ｂを備え、採取弁１６３Ｂが開かれることで、回収部１６に蓄積された微粒子Ｗが微粒子採取管１６３Ａから排出されて取り除かれる。
なお、回収機構１６３の構成としては、回収部１６に蓄積された微粒子Ｗを回収する機構であれば、特に限定されない。例えば、回収部１６が、立壁１６１と、立壁１６１の駆動板１４３側の端面を閉塞する底部とを備えた容器状に形成され、回収機構１６３は、駆動板１４３に対して回収部１６を着脱自在に固定する機構であってもよい。この場合、回収部１６を、駆動板１４３から取り外すことで、回収部１６に溜まった微粒子Ｗを回収することができる。
【0031】
（制御回路１７の構成）
制御回路１７は、超音波素子１５を制御する回路である。この制御回路１７は、各超音波トランスデューサーＴｒに対して、所定周期のパルス駆動電圧を出力し、超音波素子１５から流体デバイス１０の内部の流体に対して超音波を送信させる。
制御回路１７は、超音波素子１５を制御する回路である。この制御回路１７は、各超音波トランスデューサーＴｒに対して、所定周期のパルス駆動電圧を出力し、超音波素子１５から流体デバイス１０の内部の流体に対して超音波を送信させる。
【0032】
［流体デバイス１０における微粒子Ｗの回収原理］
次に、上述したような流体デバイス１０を用いた流体中の微粒子Ｗの回収原理について説明する。
（超音波により流体中の微粒子Ｗが受ける応力）
図５は、流体デバイス１０において、超音波素子１５から超音波を送信した際の超音波の音圧分布を示す図であり、図６は、図５のＡ－Ａ線での音圧分布を示す図である。
本実施形態では、超音波素子１５から超音波を送信させると、流出部１３から流入部１２に向かってＺ軸に沿った超音波ビームが形成される。ここで、図５のように、ＸＺ面で切断した断面視での音圧分布は、回収部１６の延長上となるＺ軸を中心とした領域（中心軸領域Ｓ１）の音圧が、立壁１６１から側壁までの間の延長上となる領域（外周領域Ｓ２）よりも音圧が小さくなる。つまり、上述したように、超音波素子１５から流体中に、円筒状の超音波ビームが形成される。
次に、上述したような流体デバイス１０を用いた流体中の微粒子Ｗの回収原理について説明する。
（超音波により流体中の微粒子Ｗが受ける応力）
図５は、流体デバイス１０において、超音波素子１５から超音波を送信した際の超音波の音圧分布を示す図であり、図６は、図５のＡ－Ａ線での音圧分布を示す図である。
本実施形態では、超音波素子１５から超音波を送信させると、流出部１３から流入部１２に向かってＺ軸に沿った超音波ビームが形成される。ここで、図５のように、ＸＺ面で切断した断面視での音圧分布は、回収部１６の延長上となるＺ軸を中心とした領域（中心軸領域Ｓ１）の音圧が、立壁１６１から側壁までの間の延長上となる領域（外周領域Ｓ２）よりも音圧が小さくなる。つまり、上述したように、超音波素子１５から流体中に、円筒状の超音波ビームが形成される。
【0033】
このような超音波ビームが形成される場合、流体中の微粒子Ｗは、超音波によって所定方向への応力が作用する。
すなわち、流体中に超音波を送信すると、流体と、流体中の微粒子Ｗとの境界において、音響インピーダンスの差によって超音波の一部が反射、一部が透過する。この場合、微粒子Ｗの内外において音響エネルギー密度の差が生じ、当該音響エネルギー密度の差に応じた圧力差が生じる。この圧力差が、微粒子Ｗにかかる音響放射圧であり、微粒子Ｗの面積で積分することで、微粒子Ｗに作用する音響放射力が求められる。本実施形態では、微粒子Ｗに対して十分に大きい流体空間に超音波が送信される音場条件となり、音響放射圧として、ランジェバン放射圧を受ける。
ところで、ある定位置での超音波の音圧を、１次の線形理論の範囲内で近似すると、正弦波状に変化するので、超音波の音圧を時間平均すると０になる。つまり、超音波によって微粒子Ｗが応力を受けないことになる。しかしながら、実際には、様々な音場条件により、超音波の音圧は、上記線形理論による線形の範囲からずれ、２次以降の微小量の範囲が大きくなる。この２次以降の微小量は時間平均しても０とならず、これが、上述した音響放射圧として微粒子Ｗに作用する。
すなわち、流体中に超音波を送信すると、流体と、流体中の微粒子Ｗとの境界において、音響インピーダンスの差によって超音波の一部が反射、一部が透過する。この場合、微粒子Ｗの内外において音響エネルギー密度の差が生じ、当該音響エネルギー密度の差に応じた圧力差が生じる。この圧力差が、微粒子Ｗにかかる音響放射圧であり、微粒子Ｗの面積で積分することで、微粒子Ｗに作用する音響放射力が求められる。本実施形態では、微粒子Ｗに対して十分に大きい流体空間に超音波が送信される音場条件となり、音響放射圧として、ランジェバン放射圧を受ける。
ところで、ある定位置での超音波の音圧を、１次の線形理論の範囲内で近似すると、正弦波状に変化するので、超音波の音圧を時間平均すると０になる。つまり、超音波によって微粒子Ｗが応力を受けないことになる。しかしながら、実際には、様々な音場条件により、超音波の音圧は、上記線形理論による線形の範囲からずれ、２次以降の微小量の範囲が大きくなる。この２次以降の微小量は時間平均しても０とならず、これが、上述した音響放射圧として微粒子Ｗに作用する。
【0034】
より具体的に音響放射圧について説明する。流体中を進行する超音波の平面進行波音場中に半径ａの球体状の微粒子Ｗが存在したとし、微粒子Ｗが流体中にない場合の入射超音波の音響インテンシティをＩとし、流体中の音速をｃ０とする。この場合、音響放射力Ｆ１は、次式（１）のように表される。なお、Ｉ／ｃ０は、入力超音波の音響エネルギー密度Ｅｉに相当し、超音波の振幅をｐ０、流体の密度をρ０とすると、Ｅｉ＝ｐ０
２／２ρ０ｃ０
２となる。また、ρ０ｃ０は流体における音響インピーダンスとなる。
【0035】
【数1】
【0036】
式（１）においてＹＰは、音響放射力関数であり、下記式（２）により示される。式（２）において、ｋは、流体内を進行する超音波の波数であり、超音波の周波数をω０とすると、ｋ＝ω０／ｃ０である。また、ρは流体中の微粒子Ｗの密度であり、ｃは微粒子Ｗ内の音速である。なお、ｋａは１よりも十分に小さいものとする。
【0037】
【数2】
【0038】
そして、本実施形態では、上述したように、超音波は、駆動面１４３Ａのうち、回収領域Ａ１を囲う周囲領域Ａ２からＺ軸に沿って流入部１２に向かって送信され、中心軸領域Ｓ１を囲う外周領域Ｓ２に、円筒状の超音波ビームが形成される。このため、超音波が送信される外周領域Ｓ２の微粒子Ｗには強い音響放射圧が作用する。よって、外周領域Ｓ２の微粒子Ｗは、超音波による音響放射圧が作用しない中心軸領域Ｓ１に向かって、つまり、高圧側から低圧側に向かって、式（２）に示す音響放射力を受ける。
【0039】
また、本実施形態では、超音波素子１５は、Ｚ軸に対して非定在波となる超音波ビームを形成する。つまり、Ｚ軸に沿って定在波が形成されると、定在波の節の位置において、微粒子Ｗが停滞し、中心軸領域Ｓ１への微粒子Ｗの移動が阻害される。これに対して、上記のように非定在波となる超音波ビームを形成することで、節で微粒子Ｗが捕捉される不都合が抑制される。
なお、音響放射力を高めるために、超音波素子１５から送信する超音波の音圧を大きくすると、高調波が発生しやすくなる。このような高調波が発生すると超音波の波形も歪み、超音波の音圧を近似した近似式における２次以降の項で表される超音波成分が大きくなる。つまり、超音波の音圧を増大させることで、定常波の形成を阻害できるだけでなく、音響放射力の増大をも図れ、流体中の微粒子Ｗをより強い力でＺ軸を中心とした中心軸領域Ｓ１に移動させることができる。
なお、音響放射力を高めるために、超音波素子１５から送信する超音波の音圧を大きくすると、高調波が発生しやすくなる。このような高調波が発生すると超音波の波形も歪み、超音波の音圧を近似した近似式における２次以降の項で表される超音波成分が大きくなる。つまり、超音波の音圧を増大させることで、定常波の形成を阻害できるだけでなく、音響放射力の増大をも図れ、流体中の微粒子Ｗをより強い力でＺ軸を中心とした中心軸領域Ｓ１に移動させることができる。
【0040】
（流体により微粒子Ｗが受ける応力）
本実施形態では、流入部１２から流出部１３に向かって流れる流体に抗する抵抗力が微粒子Ｗに作用する。
図７及び図８は、本実施形態における、Ｚ軸に平行な方向に対する流体の流速分布を示す図である。図７では、胴部１１、流入部１２近傍、及び流出部１３近傍の流体の流速を矢印の長さで示す。図８は、図７のＡ－Ａ線、Ｂ－Ｂ線、及びＣ－Ｃ線のＸ軸での流速分布を示す図であり、実線が胴部１１のＡ－Ａ線での流速分布、破線が流入部１２のＢ－Ｂ線での流速分布、一点鎖線が流出部１３のＣ－Ｃ線での流速分布である。
本実施形態では、流入部１２から胴部１１を通過して流出部１３に至る流体において、流入部１２では、各流入口１２４から流体が流入されるので、流入口１２４の近傍において、Ｚ軸に平行な方向への流速が大きく、Ｚ軸に近づくにつれて流速が小さくなる。
また、胴部１１では、ＸＹ面において、略均一な流速で流体が流れる。つまり、流入部１２から流入した流体は、層流となって均一な流れで流出部１３に向かって流れる。
一方、Ｚ軸に沿う方向のうち、立壁１６１の流入部１２側の先端から、駆動面１４３Ａの間では、蓄積部１６２においてＺ軸に沿った流速は見られない。つまり、本実施形態において、微粒子採取管１６３Ａの採取弁１６３Ｂが閉じた状態である場合、立壁１６１に囲われた蓄積部１６２には、流出口１３３に向かって流体が流れる経路がないので、蓄積部１６２におけるＺ軸に沿った流速は０に限りなく近くなる。
なお、流出部１３側の、立壁１６１から側壁までの間は、流出口１３３に向かって流体が流れるので、流出口１３３に向かうほど流速が大きくなる。
本実施形態では、流入部１２から流出部１３に向かって流れる流体に抗する抵抗力が微粒子Ｗに作用する。
図７及び図８は、本実施形態における、Ｚ軸に平行な方向に対する流体の流速分布を示す図である。図７では、胴部１１、流入部１２近傍、及び流出部１３近傍の流体の流速を矢印の長さで示す。図８は、図７のＡ－Ａ線、Ｂ－Ｂ線、及びＣ－Ｃ線のＸ軸での流速分布を示す図であり、実線が胴部１１のＡ－Ａ線での流速分布、破線が流入部１２のＢ－Ｂ線での流速分布、一点鎖線が流出部１３のＣ－Ｃ線での流速分布である。
本実施形態では、流入部１２から胴部１１を通過して流出部１３に至る流体において、流入部１２では、各流入口１２４から流体が流入されるので、流入口１２４の近傍において、Ｚ軸に平行な方向への流速が大きく、Ｚ軸に近づくにつれて流速が小さくなる。
また、胴部１１では、ＸＹ面において、略均一な流速で流体が流れる。つまり、流入部１２から流入した流体は、層流となって均一な流れで流出部１３に向かって流れる。
一方、Ｚ軸に沿う方向のうち、立壁１６１の流入部１２側の先端から、駆動面１４３Ａの間では、蓄積部１６２においてＺ軸に沿った流速は見られない。つまり、本実施形態において、微粒子採取管１６３Ａの採取弁１６３Ｂが閉じた状態である場合、立壁１６１に囲われた蓄積部１６２には、流出口１３３に向かって流体が流れる経路がないので、蓄積部１６２におけるＺ軸に沿った流速は０に限りなく近くなる。
なお、流出部１３側の、立壁１６１から側壁までの間は、流出口１３３に向かって流体が流れるので、流出口１３３に向かうほど流速が大きくなる。
【0041】
図９及び図１０は、本実施形態における、Ｚ軸に直交する方向に対する流体の流速分布を示す図である。
図９は、胴部１１、流入部１２、及び流出部１３の流体の流速を矢印の長さで示す。図１０は、図９の胴部１１のＡ－Ａ線、流入部１２のＢ－Ｂ線、及び流出部１３のＣ－Ｃ線での流速分布を示す図であり、実線がＡ－Ａ線での流速分布、破線がＢ－Ｂ線での流速分布、一点鎖線がＣ－Ｃ線での流速分布である。
本実施形態では、流入口１２４から、Ｚ軸に直交する第二軸（図２のＸ１軸やＹ１軸）に沿って流体が流入し、Ｚ軸に交差する第三軸（図２のＸ２軸やＹ２軸）に沿って流出口１３３から流体が流出する。ここでは、Ｘ１軸とＸ２軸とが平行であるものとして説明する。また、図９において、Ｘ１軸及びＸ２軸に平行で、かつ、紙面左側から右側に向かう方向をＸ方向とする。
流入部１２において、流入口１２４からＺ軸に向かう流速が発生する。しかし、このＺ軸に向かう流速は、流出部１３に向かうにしたがって、次第に減衰し、図１０に示すように、Ａ－Ａ線の位置では、ＸＹ平面の面方向に沿った流速はほぼ０となる。また、胴部１１から流出部１３に向かうにしたがって、流出口１３３に向かう流速が発生し、当該流出口１３３に向かう流速は徐々に大きくなる。
流体中の微粒子Ｗは、上記のような流体の流れに抗する抵抗力Ｄを受ける。
図９は、胴部１１、流入部１２、及び流出部１３の流体の流速を矢印の長さで示す。図１０は、図９の胴部１１のＡ－Ａ線、流入部１２のＢ－Ｂ線、及び流出部１３のＣ－Ｃ線での流速分布を示す図であり、実線がＡ－Ａ線での流速分布、破線がＢ－Ｂ線での流速分布、一点鎖線がＣ－Ｃ線での流速分布である。
本実施形態では、流入口１２４から、Ｚ軸に直交する第二軸（図２のＸ１軸やＹ１軸）に沿って流体が流入し、Ｚ軸に交差する第三軸（図２のＸ２軸やＹ２軸）に沿って流出口１３３から流体が流出する。ここでは、Ｘ１軸とＸ２軸とが平行であるものとして説明する。また、図９において、Ｘ１軸及びＸ２軸に平行で、かつ、紙面左側から右側に向かう方向をＸ方向とする。
流入部１２において、流入口１２４からＺ軸に向かう流速が発生する。しかし、このＺ軸に向かう流速は、流出部１３に向かうにしたがって、次第に減衰し、図１０に示すように、Ａ－Ａ線の位置では、ＸＹ平面の面方向に沿った流速はほぼ０となる。また、胴部１１から流出部１３に向かうにしたがって、流出口１３３に向かう流速が発生し、当該流出口１３３に向かう流速は徐々に大きくなる。
流体中の微粒子Ｗは、上記のような流体の流れに抗する抵抗力Ｄを受ける。
【0042】
より具体的に説明すると、微粒子Ｗが直径ｄ（ｄ＝２ａ）の球体であると仮定した場合に、微粒子Ｗの表面積をＡ、抗力係数をＣＤ、レイノルズ数をＲｅ、流体の流速に対する微粒子Ｗの相対速度をＵ、流体の粘度をνとすると、下記式（３）（４）が成立する。
【0043】
【数3】
【0044】
図１１は、抗力係数ＣＤとレイノルズ数Ｒｅとの関係を示す図である。
上記抗力係数ＣＤ及びレイノルズ数Ｒｅは、一般に、図１１に示すような関係を有し、抗力係数ＣＤは、微粒子Ｗのサイズ、流体の流速、及び粘性に基づいたレイノルズ数Ｒｅに対応して、図１１に示すように定まる。また、式（３）のように、微粒子Ｗに作用する抵抗力Ｄは、抗力係数ＣＤに応じて定まる。つまり、流体中の微粒子Ｗは、流体の粘性、流速、及び微粒子Ｗのサイズに応じて、流体の流れに対する抵抗力Ｄを受ける。
上記抗力係数ＣＤ及びレイノルズ数Ｒｅは、一般に、図１１に示すような関係を有し、抗力係数ＣＤは、微粒子Ｗのサイズ、流体の流速、及び粘性に基づいたレイノルズ数Ｒｅに対応して、図１１に示すように定まる。また、式（３）のように、微粒子Ｗに作用する抵抗力Ｄは、抗力係数ＣＤに応じて定まる。つまり、流体中の微粒子Ｗは、流体の粘性、流速、及び微粒子Ｗのサイズに応じて、流体の流れに対する抵抗力Ｄを受ける。
【0045】
（２－３．微粒子Ｗに作用するその他の応力）
上記のように、超音波が送信された流体中の微粒子Ｗには、超音波の音響放射力Ｆ１、流体の流れに抗する抵抗力Ｄ、を受けるが、その他、微粒子Ｗは、重力Ｆ２、浮力Ｆ３の影響も受ける。ここで、重力Ｆ２は、粒子の密度ρ、微粒子Ｗの体積Ｖ、重力加速度ｇにより、Ｆ２＝ρＶｇとなる。また、浮力Ｆ３は、Ｆ３＝ρ０Ｖｇとなる。したがって、重力Ｆ２と浮力Ｆ３との差は、流体と微粒子Ｗとの密度の差に微粒子Ｗの体積Ｖと重力加速度ｇとを乗算した値となり、超音波の音響放射力Ｆ１、流体の流れに抗する抵抗力Ｄに対して、無視できる程度に十分に小さい値となる。
上記のように、超音波が送信された流体中の微粒子Ｗには、超音波の音響放射力Ｆ１、流体の流れに抗する抵抗力Ｄ、を受けるが、その他、微粒子Ｗは、重力Ｆ２、浮力Ｆ３の影響も受ける。ここで、重力Ｆ２は、粒子の密度ρ、微粒子Ｗの体積Ｖ、重力加速度ｇにより、Ｆ２＝ρＶｇとなる。また、浮力Ｆ３は、Ｆ３＝ρ０Ｖｇとなる。したがって、重力Ｆ２と浮力Ｆ３との差は、流体と微粒子Ｗとの密度の差に微粒子Ｗの体積Ｖと重力加速度ｇとを乗算した値となり、超音波の音響放射力Ｆ１、流体の流れに抗する抵抗力Ｄに対して、無視できる程度に十分に小さい値となる。
【0046】
図１２は、流体デバイス１０において、流体中の微粒子Ｗに対して作用する応力を示す図である。
流体中の微粒子Ｗを移動させる力としては、図１２に示すように、音響放射力Ｆ１、流体の流れに対する抵抗力Ｄが支配的となり、これらの音響放射力Ｆ１、流体の流れに対する抵抗力Ｄに基づいて、微粒子Ｗが移動する。
流体中の微粒子Ｗを移動させる力としては、図１２に示すように、音響放射力Ｆ１、流体の流れに対する抵抗力Ｄが支配的となり、これらの音響放射力Ｆ１、流体の流れに対する抵抗力Ｄに基づいて、微粒子Ｗが移動する。
【0047】
つまり、本実施形態では、微粒子Ｗは、まず、流入口１２４から流入する流体の流れに対する抵抗力Ｄ１によって、Ｚ軸に向かって放出される。この時、本実施形態では、流入口１２４がＺ軸を挟んで対向して配置される。したがって、Ｚ軸を超えて反対側の側壁まで微粒子Ｗが移動することが抑制される。
また、流体デバイス１０内に流入した流体は、Ｚ軸に沿って流出部１３に向かって流れ、当該流体の流れに対する抵抗力Ｄ２により、微粒子Ｗは流出部１３に向かって移動される。
また、流体デバイス１０内に流入した流体は、Ｚ軸に沿って流出部１３に向かって流れ、当該流体の流れに対する抵抗力Ｄ２により、微粒子Ｗは流出部１３に向かって移動される。
【0048】
さらに、外周領域Ｓ２では、駆動面１４３ＡからＺ軸に沿って円筒状の超音波ビームが形成されるので、外周領域Ｓ２に位置する各微粒子Ｗは、音響放射力Ｆ１を受けて、中心軸領域Ｓ１に向かって移動する。すなわち、流入口１２４からの流体の流れに基づいた抵抗力Ｄ１は、流入部１２から流出部１３に向かうにしたがって減衰するが、流体デバイス１０内の外周領域Ｓ２の微粒子Ｗには、常に音響放射力Ｆ１が作用する。したがって、抵抗力Ｄ１が小さくなったとしても、微粒子ＷはＺ軸を中心とする中心軸領域Ｓ１に向かって移動される。
【0049】
この際、本実施形態では、流出部１３側に設けられた駆動面１４３Ａから流入部１２に向かって超音波を送信するので、超音波によるブレーキ効果が得られる。つまり、流体の流れによって移動する微粒子Ｗの移動速度が速い場合、微粒子Ｗが回収部１６に至らず、立壁１６１と側壁との間に移動する場合がある。しかし、本実施形態では、駆動面１４３Ａから超音波を送信するので、流出部１３側での超音波の音圧が大きく、微粒子Ｗにかかる音響放射圧も大きくなる。上述したように、微粒子Ｗは、圧力が高い方から低い方に移動するので、流出部１３から流入部１２に向かう方向への音響放射力の成分が現れ、流体の流れに対するブレーキとして作用する。これにより、微粒子ＷのＺ軸に沿った流入部１２から流出部１３に向かう速度が抑制され、効率よく回収部１６に微粒子Ｗを導くことができる。
【0050】
なお、回収部１６の蓄積部１６２では、流体はＺ軸に沿う流れは限りなく０に近くなり、また、立壁１６１によりＺ軸から離れる方向への流体の流れも生じない。よって、回収部１６の蓄積部１６２に蓄積された微粒子Ｗが回収部１６から飛び出る不都合を抑制できる。
【0051】
ところで、流体デバイス１０内において、流出部１３の近傍になると、流出口１３３に向かう流れ、つまり、Ｚ軸から側壁側に向かう流体の流れが生じる。
ここで、Ｚ軸から側壁に向かう流体の流れに対する抵抗力Ｄ３が、音響放射力Ｆ１よりも大きくなると、回収部１６に回収されず流出口１３３から流出される微粒子Ｗが増大する。
これに対して、本実施形態では、回収部１６の立壁１６１が、駆動面１４３Ａから第一位置１６１Ａまで流入部１２に向かって延伸している。この第一位置１６１Ａは、上述したように、微粒子Ｗに作用する側壁側に向かう応力が、Ｚ軸に向かう応力と釣り合う位置、つまり、Ｚ軸から側壁に向かう流体の流れに対する抵抗力Ｄ３と、音響放射力Ｆ１とが釣り合う位置である。
立壁１６１が第一位置１６１Ａを超えて流入部１２側に延設されると、外周領域Ｓ２を移動中で中心軸領域Ｓ１に入っていない微粒子Ｗが回収できない可能性がある。また、立壁１６１の先端が第一位置１６１Ａよりも駆動面１４３Ａ側に位置する場合、抵抗力Ｄ３が音響放射力Ｆ１を上回り、中心軸領域Ｓ１に誘導された微粒子Ｗが、回収部１６で回収される前に外周領域Ｓ２に移動してしまう可能性がある。これに対して、立壁１６１を、駆動面１４３Ａから上記のような第一位置１６１Ａまで延設することで、効率よく微粒子Ｗを回収部１６の蓄積部１６２に蓄積することができる。
なお、抵抗力Ｄ３及び音響放射力Ｆ１は、微粒子Ｗの実際の形状によって変化する。したがって、回収部１６により回収する所望のサイズの微粒子Ｗに対して、抵抗力Ｄ３及び音響放射力Ｆ１をシミュレーションや実験等により求め、これらが略釣り合う位置を第一位置とすればよい。
ここで、Ｚ軸から側壁に向かう流体の流れに対する抵抗力Ｄ３が、音響放射力Ｆ１よりも大きくなると、回収部１６に回収されず流出口１３３から流出される微粒子Ｗが増大する。
これに対して、本実施形態では、回収部１６の立壁１６１が、駆動面１４３Ａから第一位置１６１Ａまで流入部１２に向かって延伸している。この第一位置１６１Ａは、上述したように、微粒子Ｗに作用する側壁側に向かう応力が、Ｚ軸に向かう応力と釣り合う位置、つまり、Ｚ軸から側壁に向かう流体の流れに対する抵抗力Ｄ３と、音響放射力Ｆ１とが釣り合う位置である。
立壁１６１が第一位置１６１Ａを超えて流入部１２側に延設されると、外周領域Ｓ２を移動中で中心軸領域Ｓ１に入っていない微粒子Ｗが回収できない可能性がある。また、立壁１６１の先端が第一位置１６１Ａよりも駆動面１４３Ａ側に位置する場合、抵抗力Ｄ３が音響放射力Ｆ１を上回り、中心軸領域Ｓ１に誘導された微粒子Ｗが、回収部１６で回収される前に外周領域Ｓ２に移動してしまう可能性がある。これに対して、立壁１６１を、駆動面１４３Ａから上記のような第一位置１６１Ａまで延設することで、効率よく微粒子Ｗを回収部１６の蓄積部１６２に蓄積することができる。
なお、抵抗力Ｄ３及び音響放射力Ｆ１は、微粒子Ｗの実際の形状によって変化する。したがって、回収部１６により回収する所望のサイズの微粒子Ｗに対して、抵抗力Ｄ３及び音響放射力Ｆ１をシミュレーションや実験等により求め、これらが略釣り合う位置を第一位置とすればよい。
【0052】
［本実施形態の作用効果］
本実施形態の流体デバイス１０は、胴部１１と、駆動板１４３と、立壁１６１と、超音波素子１５とを備える。胴部１１は、第一軸であるＺ軸に沿った筒状の第一側壁１１１を有し、Ｚ軸の一方側に設けられる流入部１２から、Ｚ軸の他方側に設けられる流出部１３に向かって、筒内部に流体を流通させる。駆動板１４３は、Ｚ軸に交差する第一面としての駆動面１４３Ａを有する。立壁１６１は、駆動面１４３ＡからＺ軸に沿って流入部１２に向かって延伸し、第一側壁１１１よりもＺ軸に沿う長さが短い筒状に形成されている。超音波素子１５は、駆動面１４３Ａにおいて立壁１６１及び立壁１６１に囲われる蓄積部１６２と重なる回収領域Ａ１の外側を囲って配置され、Ｚ軸に沿って超音波を送信する。
本実施形態の流体デバイス１０は、胴部１１と、駆動板１４３と、立壁１６１と、超音波素子１５とを備える。胴部１１は、第一軸であるＺ軸に沿った筒状の第一側壁１１１を有し、Ｚ軸の一方側に設けられる流入部１２から、Ｚ軸の他方側に設けられる流出部１３に向かって、筒内部に流体を流通させる。駆動板１４３は、Ｚ軸に交差する第一面としての駆動面１４３Ａを有する。立壁１６１は、駆動面１４３ＡからＺ軸に沿って流入部１２に向かって延伸し、第一側壁１１１よりもＺ軸に沿う長さが短い筒状に形成されている。超音波素子１５は、駆動面１４３Ａにおいて立壁１６１及び立壁１６１に囲われる蓄積部１６２と重なる回収領域Ａ１の外側を囲って配置され、Ｚ軸に沿って超音波を送信する。
【0053】
これにより、流体デバイス１０に流入部１２から流入し、Ｚ軸に沿って、胴部１１から流出部１３に流れる流体のうち、中心軸領域Ｓ１の周りの外周領域Ｓ２にＺ軸に沿った略筒状のビーム形状となる超音波が送信される。よって、外周領域Ｓ２の流体中の微粒子Ｗには、超音波により音響放射圧が加わる。外周領域Ｓ２の微粒子Ｗは、中心軸領域Ｓ１に向かう音響放射力Ｆ１を受け、中心軸領域Ｓ１に向かって移動する。中心軸領域Ｓ１には、音響放射圧が作用しないため、中心軸領域Ｓ１に移動した微粒子Ｗは、流入部１２から流出部１３に向かって流れる流体の流れに応じた抵抗力Ｄ２によって回収部１６の蓄積部１６２に移動し、蓄積部１６２で蓄積される。このため、流体デバイス１０を用いることで、流体と、流体中の微粒子Ｗとを分離することができる。
このような本実施形態の流体デバイス１０では、超音波による音響放射圧を利用して微粒子Ｗを移動させるものであるため、定在波を用いた従来のマイクロ流体チップとは異なり、流路幅を大きくできる。洗濯機からの洗濯水等、大量の流体からより迅速に微粒子Ｗを取り除くことができる。
また、本実施形態では、超音波の音圧を大きくすることで、超音波の波形が歪み、これにより、より大きな音響放射力Ｆ１が得られる。つまり、超音波の音圧に制限がある従来のマイクロ流体チップとは異なり、大きい音圧の超音波を用いることができる。このように、超音波の音圧を上げることで、音響放射力Ｆ１を大きくできるので、広い流路に流れる大量の流体から、微粒子Ｗを高い効率で回収部１６に集めることができる。
このような本実施形態の流体デバイス１０では、超音波による音響放射圧を利用して微粒子Ｗを移動させるものであるため、定在波を用いた従来のマイクロ流体チップとは異なり、流路幅を大きくできる。洗濯機からの洗濯水等、大量の流体からより迅速に微粒子Ｗを取り除くことができる。
また、本実施形態では、超音波の音圧を大きくすることで、超音波の波形が歪み、これにより、より大きな音響放射力Ｆ１が得られる。つまり、超音波の音圧に制限がある従来のマイクロ流体チップとは異なり、大きい音圧の超音波を用いることができる。このように、超音波の音圧を上げることで、音響放射力Ｆ１を大きくできるので、広い流路に流れる大量の流体から、微粒子Ｗを高い効率で回収部１６に集めることができる。
【0054】
本実施形態の流体デバイス１０において、流入部１２は、Ｚ軸に対して交差する第二軸（Ｘ１軸、Ｙ１軸）から、流体デバイス１０の内部に流体を流入させる流入口１２４を備える。
このような構成では、流入部１２から流入される流体中の微粒子Ｗは、流体の流れによって抵抗力Ｄ１を受ける。したがって、流入部１２の近傍の微粒子Ｗは音響放射力Ｆ１に加え、抵抗力Ｄ１によるドラッグ力を受けるので、より効率よく微粒子Ｗを中心軸領域Ｓ１に集めることができる。
このような構成では、流入部１２から流入される流体中の微粒子Ｗは、流体の流れによって抵抗力Ｄ１を受ける。したがって、流入部１２の近傍の微粒子Ｗは音響放射力Ｆ１に加え、抵抗力Ｄ１によるドラッグ力を受けるので、より効率よく微粒子Ｗを中心軸領域Ｓ１に集めることができる。
【0055】
本実施形態の流体デバイス１０では、流出部１３は、Ｚ軸に対して交差する第三軸（Ｘ２軸、Ｙ２軸等）に沿って流体を流出させる流出口１３３を備える。
この場合、駆動板１４３に流出口１３３を設ける場合に比べて、駆動板１４３に配置する超音波素子１５の配置領域を確保することができる。よって、超音波素子１５から大きい音圧の超音波を送信することができ、音響放射力Ｆ１の増大を図れ、微粒子Ｗの回収効率を向上させることができる。
この場合、駆動板１４３に流出口１３３を設ける場合に比べて、駆動板１４３に配置する超音波素子１５の配置領域を確保することができる。よって、超音波素子１５から大きい音圧の超音波を送信することができ、音響放射力Ｆ１の増大を図れ、微粒子Ｗの回収効率を向上させることができる。
【0056】
本実施形態の流体デバイス１０では、立壁１６１は、駆動面１４３Ａから第一位置まで流入部１２に向かって延伸している。この第一位置１６１Ａは、流体の流れによって微粒子Ｗを側壁に向かう方向に移動させる抵抗力Ｄ３と、超音波の音響放射力Ｆ１とが釣り合う位置である。
これにより、立壁１６１の内部の蓄積部１６２に効率よく粒子を集めることができる。つまり、立壁１６１の先端が、第一位置１６１Ａよりも流入部１２側に位置すると、立壁１６１により阻害されて、外周領域Ｓ２から中心軸領域Ｓ１に移動できず、蓄積部１６２に入ることができない微粒子Ｗが増大する。また、立壁１６１の先端が、第一位置１６１Ａよりも駆動面１４３Ａ側に位置すると、中心軸領域Ｓ１の微粒子Ｗが、流出口１３３に向かう流体の流れによって外周領域Ｓ２に移動してしまう可能性がある。これに対して、上記のように、立壁１６１の先端を第一位置とすることで、微粒子Ｗを中心軸領域Ｓ１に効率よく集めることができ、かつ、集めた微粒子Ｗが外周領域Ｓ２に移動してしまう不都合を抑制できるので、回収部１６による微粒子Ｗの回収効率を高めることができる。
これにより、立壁１６１の内部の蓄積部１６２に効率よく粒子を集めることができる。つまり、立壁１６１の先端が、第一位置１６１Ａよりも流入部１２側に位置すると、立壁１６１により阻害されて、外周領域Ｓ２から中心軸領域Ｓ１に移動できず、蓄積部１６２に入ることができない微粒子Ｗが増大する。また、立壁１６１の先端が、第一位置１６１Ａよりも駆動面１４３Ａ側に位置すると、中心軸領域Ｓ１の微粒子Ｗが、流出口１３３に向かう流体の流れによって外周領域Ｓ２に移動してしまう可能性がある。これに対して、上記のように、立壁１６１の先端を第一位置とすることで、微粒子Ｗを中心軸領域Ｓ１に効率よく集めることができ、かつ、集めた微粒子Ｗが外周領域Ｓ２に移動してしまう不都合を抑制できるので、回収部１６による微粒子Ｗの回収効率を高めることができる。
【0057】
本実施形態の流体デバイス１０では、超音波素子１５は、駆動面１４３Ａの回収領域Ａ１以外の領域を覆って設けられている。
これにより、流体デバイス１０内に、Ｚ軸に沿って円筒状の超音波ビームを形成することができ、中心軸領域Ｓ１に微粒子Ｗを集めることができる。
これにより、流体デバイス１０内に、Ｚ軸に沿って円筒状の超音波ビームを形成することができ、中心軸領域Ｓ１に微粒子Ｗを集めることができる。
【0058】
本実施形態の流体デバイス１０では、超音波素子１５は、Ｚ軸に沿って非定在波となる超音波を送信することが好ましい。
超音波素子１５からＺ軸に沿って定在波を形成すると、定在波の節の位置に微粒子Ｗが集まり、中心軸領域Ｓ１への微粒子Ｗの移動効率が低下する。これに対して、本実施形態では、超音波素子１５は、非定在波となる超音波を送信するので、音響放射力によって効率よく微粒子Ｗを中心軸領域Ｓ１に集めることができる。
超音波素子１５からＺ軸に沿って定在波を形成すると、定在波の節の位置に微粒子Ｗが集まり、中心軸領域Ｓ１への微粒子Ｗの移動効率が低下する。これに対して、本実施形態では、超音波素子１５は、非定在波となる超音波を送信するので、音響放射力によって効率よく微粒子Ｗを中心軸領域Ｓ１に集めることができる。
【0059】
［変形例］
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、及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。
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、及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。
【0060】
［変形例１］
上記実施形態では、流入部１２が流入側蓋部１２３を有する構成としたが、流入側蓋部１２３が設けられない構成としてもよい。例えば、流体デバイスの流入部１２側の端面が開口していてもよい。
上記実施形態では、流入部１２が流入側蓋部１２３を有する構成としたが、流入側蓋部１２３が設けられない構成としてもよい。例えば、流体デバイスの流入部１２側の端面が開口していてもよい。
【0061】
［変形例２］
上記実施形態では、超音波素子１５が、流出部１３の駆動板１４３に設けられる構成を例示したが、流入部１２に設けられる構成としてもよい。
例えば、流入側蓋部１２３に超音波素子１５を配置し、Ｚ軸に沿って流入部１２側から流出部１３側に超音波を送信してもよい。この場合、超音波による微粒子Ｗのブレーキ効果は得られないが、流体の流速を遅くすることで、微粒子Ｗが中心軸領域Ｓ１に移動する前に流出口１３３から排出される不都合を抑制できる。
上記実施形態では、超音波素子１５が、流出部１３の駆動板１４３に設けられる構成を例示したが、流入部１２に設けられる構成としてもよい。
例えば、流入側蓋部１２３に超音波素子１５を配置し、Ｚ軸に沿って流入部１２側から流出部１３側に超音波を送信してもよい。この場合、超音波による微粒子Ｗのブレーキ効果は得られないが、流体の流速を遅くすることで、微粒子Ｗが中心軸領域Ｓ１に移動する前に流出口１３３から排出される不都合を抑制できる。
【0062】
［変形例３］
上記実施形態では、駆動板１４３に対して、駆動面１４３Ａの回収部１６と重ならない領域全体を覆うように、超音波素子１５が配置される例を示したが、これに限定されない。
上記実施形態では、回収部１６において、立壁１６１が駆動板１４３を貫通して回収機構１６３に接続されているが、例えば、駆動板１４３に対して回収機構１６３によって回収部１６が着脱自在に固定されているような構成では、駆動板１４３における駆動面１４３Ａの全体を覆うように超音波素子１５が配置されていてもよい。
この場合、超音波素子１５を構成する複数の超音波トランスデューサーＴｒのうち、回収部１６と重なる位置に配置された超音波トランスデューサーＴｒを非駆動とすればよい。
上記実施形態では、駆動板１４３に対して、駆動面１４３Ａの回収部１６と重ならない領域全体を覆うように、超音波素子１５が配置される例を示したが、これに限定されない。
上記実施形態では、回収部１６において、立壁１６１が駆動板１４３を貫通して回収機構１６３に接続されているが、例えば、駆動板１４３に対して回収機構１６３によって回収部１６が着脱自在に固定されているような構成では、駆動板１４３における駆動面１４３Ａの全体を覆うように超音波素子１５が配置されていてもよい。
この場合、超音波素子１５を構成する複数の超音波トランスデューサーＴｒのうち、回収部１６と重なる位置に配置された超音波トランスデューサーＴｒを非駆動とすればよい。
【0063】
また、超音波素子１５の配置としては、駆動面１４３Ａの回収部１６と重なる回収領域Ａ１以外の周囲領域Ａ２の全体を覆っていなくてもよく、例えば、周囲領域Ａ２において、回収部１６を中心に等間隔で複数の超音波素子１５が配置される構成としてもよい。
【0064】
さらに、超音波素子１５の配置としては、周囲領域Ａ２において、回収部１６を中心に不等間隔で複数の超音波素子１５が配置される構成としてもよく、例えば、周囲領域Ａ２において、回収部１６を中心に駆動板１４３の外周に向かって、複数の超音波素子１５の素子間隔が狭くなるように配置される構成としてもよい。
【0065】
［変形例４］
上記実施形態では、流入部１２において、第二側壁１２２に流入口１２４が接続され、Ｚ軸に対して直交する第二軸（Ｘ１軸、Ｙ１軸等）から流体が流入する構成としたが、これに限定されない。
例えば、流入口１２４が流入側蓋部１２３に設けられる構成としてもよい。或いは、変形例１のように流入側蓋部１２３が設けられない構成とする場合では、水処理部２と接続される接続管が、第二側壁１２２の胴部１１とは反対側に直接接続される構成としてもよい。
上記実施形態では、流入部１２において、第二側壁１２２に流入口１２４が接続され、Ｚ軸に対して直交する第二軸（Ｘ１軸、Ｙ１軸等）から流体が流入する構成としたが、これに限定されない。
例えば、流入口１２４が流入側蓋部１２３に設けられる構成としてもよい。或いは、変形例１のように流入側蓋部１２３が設けられない構成とする場合では、水処理部２と接続される接続管が、第二側壁１２２の胴部１１とは反対側に直接接続される構成としてもよい。
【0066】
流出口１３３に関しても同様であり、第三側壁１３２に接続される例を示すが、これに限定されない。
例えば、変形例１のように、超音波素子１５を流入部１２側に設ける場合、駆動板１４３に流出口１３３が接続されていてもよい。或いは、変形例３のように、複数の超音波素子１５が間を開けて配置される場合、隣り合う超音波素子１５の間に流出口１３３が設けられてもよい。
例えば、変形例１のように、超音波素子１５を流入部１２側に設ける場合、駆動板１４３に流出口１３３が接続されていてもよい。或いは、変形例３のように、複数の超音波素子１５が間を開けて配置される場合、隣り合う超音波素子１５の間に流出口１３３が設けられてもよい。
【0067】
［変形例５］
上記実施形態において、図１，２，５，７，９，１２において、流入部１２が図面上方、流出部１３が図面下方に表示されているが、これは図中上下方向を鉛直方向としているものではない。流体デバイスにおけるＺ軸の方向は鉛直方向に限られるものではなく、任意の方向に設置することができる。例えば、流入部１２から流出部１３に向かう方向は、鉛直方向の下方から上方に向かう方向であってもよく、鉛直方向に直交する水平方向であってもよい。
上記実施形態において、図１，２，５，７，９，１２において、流入部１２が図面上方、流出部１３が図面下方に表示されているが、これは図中上下方向を鉛直方向としているものではない。流体デバイスにおけるＺ軸の方向は鉛直方向に限られるものではなく、任意の方向に設置することができる。例えば、流入部１２から流出部１３に向かう方向は、鉛直方向の下方から上方に向かう方向であってもよく、鉛直方向に直交する水平方向であってもよい。
【0068】
［本開示のまとめ］
本開示の第一態様の流体デバイスは、第一軸に沿った筒状の側壁を有し、前記第一軸の一方側に設けられる流入部から、前記第一軸の他方側に設けられる流出部に向かって、筒内部に流体を流通させる流通本体部と、前記流通本体部の前記第一軸の前記他方側に設けられて、前記第一軸に交差する第一面を有する板部と、前記第一面から前記第一軸の前記一方側に向かって延伸し、前記側壁よりも前記第一軸に沿う長さが短い筒状の立壁と、前記第一面において前記立壁及び前記立壁に囲われる領域を回収領域とした場合に、前記板部の前記回収領域の外側に配置され、前記第一軸に沿って超音波を送信する超音波素子と、を備える。
本開示の第一態様の流体デバイスは、第一軸に沿った筒状の側壁を有し、前記第一軸の一方側に設けられる流入部から、前記第一軸の他方側に設けられる流出部に向かって、筒内部に流体を流通させる流通本体部と、前記流通本体部の前記第一軸の前記他方側に設けられて、前記第一軸に交差する第一面を有する板部と、前記第一面から前記第一軸の前記一方側に向かって延伸し、前記側壁よりも前記第一軸に沿う長さが短い筒状の立壁と、前記第一面において前記立壁及び前記立壁に囲われる領域を回収領域とした場合に、前記板部の前記回収領域の外側に配置され、前記第一軸に沿って超音波を送信する超音波素子と、を備える。
【0069】
本態様では、流体デバイスに流入部から流入し、第一軸に沿って、流通本体部から流出部に流れる流体のうち、第一軸を中心とした中心軸領域の周りの外周領域に、第一軸に沿った略筒状のビーム形状となる超音波を送信する。これにより、外周領域の流体中の微粒子に、中心軸領域に向かう音響放射力を作用させることができる。また、中心軸領域に移動した微粒子は、流入部から流出部に向かって流れる流体の流れに応じた抵抗力によって立壁に囲われる領域に移動させることができる。これにより、流体と、流体中の微粒子とを分離することができる。
そして、本態様の流体デバイスでは、超音波による音響放射圧を利用して微粒子を移動させるものであるため、定在波を用いた従来のマイクロ流体チップとは異なり、流路幅を大きくでき、大量の流体からより迅速に微粒子を取り除くことができる。
また、従来のマイクロ流体チップでは、定在波を形成する必要がるので、超音波の音圧に制限がかかるが、本態様の流体デバイスでは、超音波の音圧を上げることで、音響放射力を大きくでき、広い流路に流れる大量の流体から、微粒子を高い効率で回収することができる。
そして、本態様の流体デバイスでは、超音波による音響放射圧を利用して微粒子を移動させるものであるため、定在波を用いた従来のマイクロ流体チップとは異なり、流路幅を大きくでき、大量の流体からより迅速に微粒子を取り除くことができる。
また、従来のマイクロ流体チップでは、定在波を形成する必要がるので、超音波の音圧に制限がかかるが、本態様の流体デバイスでは、超音波の音圧を上げることで、音響放射力を大きくでき、広い流路に流れる大量の流体から、微粒子を高い効率で回収することができる。
【0070】
本態様の流体デバイスにおいて、前記流入部は、前記第一軸に対して交差する第二軸から前記流通本体部に前記流体を流入させる流入口を備えることが好ましい。
このような構成では、流入口から流入される流体中の微粒子は、流体の流れよって、第一軸に向かう抵抗力を受ける。したがって、流入部の近傍の流体中の微粒子は音響放射力と抵抗力との双方の合力により第一軸に向かって移動させることができ、より効率よく微粒子を第一軸に集めることができる。
このような構成では、流入口から流入される流体中の微粒子は、流体の流れよって、第一軸に向かう抵抗力を受ける。したがって、流入部の近傍の流体中の微粒子は音響放射力と抵抗力との双方の合力により第一軸に向かって移動させることができ、より効率よく微粒子を第一軸に集めることができる。
【0071】
本態様の流体デバイスにおいて、前記流出部は、前記第一軸に対して交差する第三軸に沿って前記流体を流出させる流出口を備えることが好ましい。
これにより、板部に配置する超音波素子の配置面積を大きくでき、超音波の音圧の増大を図れ、超音波の音圧増大により、微粒子に作用する音響放射力を増大でき、微粒子の回収効率を高めることができる。
これにより、板部に配置する超音波素子の配置面積を大きくでき、超音波の音圧の増大を図れ、超音波の音圧増大により、微粒子に作用する音響放射力を増大でき、微粒子の回収効率を高めることができる。
【0072】
本態様の流体デバイスにおいて、前記立壁は、前記第一面から第一位置まで前記第一軸の前記一方側に向かって延伸し、前記第一位置は、前記流体の流れによって、前記流体中の微粒子を前記第一軸に交差する方向に沿って前記側壁に向かって移動させる応力と、前記超音波による音響放射力とが釣り合う位置であることが好ましい。
これにより、流体中の微粒子を、第一軸を中心とした中心軸領域に効率よく集めることができ、かつ、集めた微粒子が中心軸領域から側壁側に移動してしまう不都合を抑制できる。
これにより、流体中の微粒子を、第一軸を中心とした中心軸領域に効率よく集めることができ、かつ、集めた微粒子が中心軸領域から側壁側に移動してしまう不都合を抑制できる。
【0073】
本態様の流体デバイスにおいて、前記超音波素子は、前記第一面の前記回収領域以外の領域を覆って設けられていることが好ましい。
これにより、胴部１１内に、第一軸に沿って円筒状の超音波ビームを形成することができ、円筒の中心である第一軸を中心とした中心軸領域に微粒子を集めることができる。
これにより、胴部１１内に、第一軸に沿って円筒状の超音波ビームを形成することができ、円筒の中心である第一軸を中心とした中心軸領域に微粒子を集めることができる。
【0074】
本態様の流体デバイスにおいて、前記超音波素子は、前記第一軸に沿って非定在波となる前記超音波を送信することが好ましい。
超音波素子によって送信された超音波が、定在波となる場合、位置に微粒子が集まり、中心軸領域への微粒子の移動効率が低下する。これに対して、非定在波とすることで、音響放射力によって効率よく微粒子を中心軸領域に集めることができる。
超音波素子によって送信された超音波が、定在波となる場合、位置に微粒子が集まり、中心軸領域への微粒子の移動効率が低下する。これに対して、非定在波とすることで、音響放射力によって効率よく微粒子を中心軸領域に集めることができる。
【0075】
本開示の第二態様に係る流体デバイスは、第一軸に沿った筒状の側壁を有し、前記第一軸の一方側に設けられる流入部から、前記第一軸の他方側に設けられる流出部に向かって、筒内部に流体を流通させる流通本体部と、前記流通本体部の前記第一軸の前記他方側に設けられ、前記第一軸に沿う軸方向を有し、前記第一軸に沿って延伸し、前記側壁よりも前記第一軸に沿う長さが短い筒状の立壁と、前記第一軸に沿って見た場合に、前記立壁と前記側壁との間で、前記立壁を囲うビーム形状の超音波を前記第一軸に沿って送信する超音波素子と、を備える。
本態様では、上述した第一態様と同様に、第一軸を中心とした中心軸領域の周りの外周領域に、第一軸に沿った略筒状のビーム形状となる超音波を送信するので、音響放射力によって、外周領域の微粒子を中心軸領域に移動させて、立壁に囲われる領域内に回収することができ、流体と微粒子とを分離できる。
また、第一態様と同様、本態様においても、筒状の側壁の内径である流路幅を大きくできるので、従来のマイクロ流体チップに比べて、大量の流体からより迅速に微粒子を取り除くことができる。さらに、超音波の音圧を上げることで、音響放射力を大きくできるので、大量の流体から効率よく微粒子を分離することができる。
本態様では、上述した第一態様と同様に、第一軸を中心とした中心軸領域の周りの外周領域に、第一軸に沿った略筒状のビーム形状となる超音波を送信するので、音響放射力によって、外周領域の微粒子を中心軸領域に移動させて、立壁に囲われる領域内に回収することができ、流体と微粒子とを分離できる。
また、第一態様と同様、本態様においても、筒状の側壁の内径である流路幅を大きくできるので、従来のマイクロ流体チップに比べて、大量の流体からより迅速に微粒子を取り除くことができる。さらに、超音波の音圧を上げることで、音響放射力を大きくできるので、大量の流体から効率よく微粒子を分離することができる。
【符号の説明】
【0076】
１…排水システム、２…水処理部、３…排出部、１０…流体デバイス、１１…胴部、１２…流入部、１３…流出部、１４…回収駆動部、１５…超音波素子、１６…回収部、１７…制御回路、１１１…第一側壁、１２１…流入側シール機構、１２２…第二側壁、１２３…流入側蓋部、１２４…流入口、１３１…流出側シール機構、１３２…第三側壁、１３３…流出口、１４１…駆動シール機構、１４２…第四側壁、１４３…駆動板、１４３Ａ…駆動面、１４４…収納ボックス、１６１…立壁、１６１Ａ…第一位置、１６２…蓄積部、１６３…回収機構、１６３Ａ…微粒子採取管、１６３Ｂ…採取弁、Ａ１…回収領域、Ａ２…周囲領域、Ｓ１…中心軸領域、Ｓ２…外周領域、Ｗ…微粒子。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】