JP7757698B2

JP7757698B2 - 流体デバイス

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Publication number: JP7757698B2
Application number: JP2021166691A
Authority: JP
Inventors: 景太久保; 力小島; 智英小野木; 満宮坂
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2021-10-11
Filing date: 2021-10-11
Publication date: 2025-10-22
Anticipated expiration: 2041-10-11
Also published as: CN115957564A; US20230111845A1; US12397251B2; JP2023057267A

Description

本発明は、流体デバイスに関する。

従来、流体中の微粒子を音響集束させる流体デバイスが知られている。
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捕捉される。

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

上記非特許文献１に記載の流体デバイスは、超音波による定在波によって流体中の微粒子を収束させるものであるが、外乱により定在波の発生条件が変動するため、安定的に所望の位置で微粒子を捕捉できる流体デバイスを構成することは困難であった。

本発明に係る第一態様の流体デバイスは、流体が流通する流路と、超音波を送信する超音波素子と、を備え、前記流路は、前記流路を構成する流路壁面として、前記超音波素子から送信された前記超音波を前記流体に印加する超音波印加面と、前記超音波印加面から前記流体に印加された前記超音波を反射する反射面と、を有し、前記反射面は、凹曲面形状を有する。

第一態様の流体デバイスにおいて、前記反射面は、前記流体の流通方向に対して交差する面での断面視で、前記流路内に焦点を形成する放物線形状を有することが好ましい。

第一態様の流体デバイスにおいて、前記超音波印加面は、前記反射面に対向していることが好ましい。

第一態様の流体デバイスにおいて、前記超音波印加面は、前記反射面に対向しており、前記超音波印加面および前記反射面は、前記流体の流通方向に対して交差する面での断面視で、前記流路内の仮想点を中心とする同心の円弧形状を有することが好ましい。

第一態様の流体デバイスにおいて、複数の前記超音波素子を備え、前記流路は、複数の前記超音波素子からの各超音波を前記流体に印加する複数の前記超音波印加面と、複数の前記超音波印加面にそれぞれ対向する複数の前記反射面と、を有し、複数の前記超音波印加面および複数の前記反射面は、前記断面視で、同一の前記仮想点を中心とする同心の円弧形状を有することが好ましい。

第一態様の流体デバイスにおいて、複数の前記超音波素子から送信される超音波の位相は、互いに一致していることが好ましい。

第一態様の流体デバイスにおいて、前記流路は、円形状の流路断面を成しており、前記流路断面の直径をＤとし、前記超音波の周波数をｆとし、前記超音波の音速をｃとするとき、前記超音波印加面の幅ｗは、
を満たすことが好ましい。

第一実施形態の流体デバイスの一部を模式的に示す断面図。図１のＡ－Ａ線矢視断面図。第一実施形態の流体デバイスにおける流路の収束領域を概略的に示す斜視図。第二実施形態の流体デバイスの一部を模式的に示す斜視図。第二実施形態の流体デバイスを模式的に示す断面図。第二実施形態の流体デバイスにおける超音波のビーム幅を説明するための模式図。第一実施形態の変形例に係る流体デバイスを説明する模式図。

［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、本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。この流体デバイス１０は、流路２０を形成する流路基板３０と、流路基板３０に設けられた超音波印加装置４０とを備える。以降の説明にあたり、流路２０を流れる流体Ｓの流れ方向をＸ方向とし、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向、Ｘ方向およびＹ方向に直交する方向をＺ方向とする。

本実施形態の流体デバイス１０では、流路２０のＸ方向の一部領域である収束領域Ｒを流通する流体Ｓに対して、超音波印加装置４０から送信された超音波が印加され、流体Ｓ中に分散している微粒子乃至は微小繊維（以下微粒子Ｍと称する）が収束する。流体Ｓは、特に限定されないが、例えば水である。
このような流体デバイス１０では、例えば、流路２０に対して、流体Ｓを流入させる流体入口と、流路２０から流体Ｓを流出させる流体出口とを設けることにより、流路２０内の微粒子Ｍを濃縮することができる。
あるいは、流路２０に対して、収束した微粒子Ｍを含む流体Ｓを選択的に流通させる濃縮用流路と、それ以外の流体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を濃縮することができる。
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２では、微粒子Ｍの図示を省略し、流路２０内に入射される超音波の進行方向を矢印にて示している。

（流路基板３０）
流路基板３０は、図１および図２に示すように、ベース基板３１と、リッド基板３２（図２参照）と、壁部３３とを備える。ベース基板３１には、Ｘ方向に沿い＋Ｚ側に凹状となる凹溝３１１が設けられており、リッド基板３２は、ベース基板３１の凹溝３１１を覆うように配置されている。壁部３３は、凹溝３１１内の一方の側面に沿って配置されており、流路壁面となる反射面３３１を有する。流路２０は、主に、リッド基板３２の下面と、ベース基板３１の凹溝３１１内の他方の側面および底面と、壁部３３の反射面３３１とによって形成されている。

また、流路２０のＸ方向の一部領域である収束領域Ｒにおいて、ベース基板３１の凹溝３１１は、他の部分よりもＹ方向の幅が大きく形成された部分を含んでおり、当該部分には、壁部３３の反射面３３１に対向するように超音波印加装置４０が配置されている。
ここで、図３は、流路２０の収束領域Ｒを概略的に示す斜視図である。なお、図３では、壁部３３および超音波印加装置４０を実線にて示し、ベース基板３１およびリッド基板３２のうち、流路２０に面する部分を破線にて示している。
図３に示すように、流路２０の収束領域Ｒは、リッド基板３２の下面と、ベース基板３１の凹溝３１１内の底面と、壁部３３の反射面３３１と、超音波印加装置４０の超音波印加面４１とによって形成されている。

（反射面３３１）
図２に示すように、反射面３３１は、流体の流通方向（Ｘ方向）に対して直交する面での断面視（すなわちＹＺ断面視）で、Ｙ方向に平行な軸を対称軸ＳＬとする放物線形状を有しており、この放物線形状は、流路２０内に焦点Ｆを形成する。
例えば、反射面３３１のＹＺ断面が以下の式（１）で表される放物線形状を有する場合、当該放物線形状の原点Ｏから焦点Ｆまでの距離は１／４ａとなる。ここで、流路２０は、反射面３３１の放物線形状の原点Ｏに対応する部分（底部３３２とする）から超音波印加面４１までの最短距離が、当該底部３３２から焦点Ｆまでの距離（すなわち１／４ａ）よりも大きくなるように形成される。

また、図３に示すように、反射面３３１は、上述した放物線形状の焦点ＦがＸ方向に連続した線状焦点ＦＬを流路２０内に形成する。
このような構成では、反射面３３１に対して対称軸ＳＬに沿った方向（すなわちＹ方向）の超音波が入射した場合、当該超音波の入射角と反射角とが当該反射面３３１の法線に対して対称になり、反射面３３１で反射した超音波は、線状焦点ＦＬ上に集まる。

（超音波印加装置４０）
超音波印加装置４０は、１以上の超音波素子を含んで構成され、反射面３３１に対して平面波となる超音波を送信する。超音波素子は、例えば、圧電アクチュエーターまたは振動板を振動子として有する。
例えば、超音波素子は、振動子として圧電アクチュエーターを有する場合、圧電アクチュエーターに対して駆動電圧を印加することで、圧電アクチュエーター自体を振動させて音波を発生させる。
また、超音波素子は、振動子として振動板を有する場合、振動板に形成された圧電薄膜に対して駆動電圧を印加することで、振動板を振動させて音波を発生させる。
あるいは、超音波素子は、振動子としての振動板と、当該振動板に対向配置された基板とを備え、振動板および基板のそれぞれに形成された電極が静電アクチュエーターを構成してもよい。この場合、超音波素子は、静電アクチュエーターに駆動電圧を印加することで、振動板を振動させて音波を発生させる。
なお、超音波印加装置４０は、上述の超音波素子だけでなく、音響整合層や音響レンズなどを含んで構成されてもよい。

超音波印加装置４０において超音波素子が発生させる超音波の周波数は、特に限定されないが、３００ｋＨｚから５０ＭＨｚの周波数帯域の超音波であることが好ましい。例えば、超音波の低周波域、具体的には１０ｋＨｚから３００ｋＨｚの周波数帯域では、流体Ｓにキャビテーションが発生するため、流体Ｓ中の微粒子Ｍの捕捉には不適切となる。このため、３００ｋＨｚ以上の周波数の超音波を利用することが好ましい。また、５０ＭＨｚ以下の周波数帯域の超音波を利用する場合には、超音波素子の駆動源として一般的な駆動源を利用できる。

本実施形態において、超音波印加装置４０は、上述の超音波素子から送信された超音波を流体Ｓに印加する超音波印加面４１を有する。ここで、超音波印加面４１は、超音波素子を構成する振動板によって形成されてもよい。また、超音波印加装置４０が音響整合層や音響レンズを含む場合、超音波印加面４１は、音響整合層または音響レンズによって形成されてもよい。この超音波印加面４１は、上述したように、流路２０の収束領域Ｒを構成する流路壁面の一部となる。

また、本実施形態において、超音波印加装置４０は、反射面３３１に向かって指向性の高い超音波を送信することが好ましい。具体的には、超音波印加装置４０から送信される超音波の近距離音場限界Ｎは、超音波印加面４１から反射面３３１の底部３３２までの最短距離よりも大きいことが望ましい。

ここで、本実施形態の超音波印加装置４０から送信される超音波の近距離音場限界Ｎは、以下の式（２）または式（３）で表される。具体的には、超音波印加装置４０の超音波素子を構成する振動板の振動領域（以降、振動部とする）の形状が円形である場合には、以下の式（２）が成り立ち、振動部の形状が矩形である場合には、以下の式（３）が成り立つ。

上記式（２）および式（３）では、超音波の周波数（Ｈｚ）をｆとし、音速（ｍ／ｓ）をｃとする。また、上記式（２）では、円形の振動部の直径（ｍ）をｄとし、上記式（３）では、矩形の振動部の長辺寸法（ｍ）をＬとする。また、上記式（３）における所定の係数ｋは、以下の表１ように定義される。以下の表１における寸法比は、振動部の長辺に対する短辺の寸法比であり、寸法比が１のとき、振動部の形状は正方形である。なお、寸法比の最大値は１となるため、所定の係数ｋの最大値は１．３７となる。

（微粒子Ｍの捕捉）
以上の構成によれば、超音波印加面４１から流体Ｓに印加された超音波は、反射面３３１に対して、対称軸ＳＬに沿った方向（すなわちＹ方向）に入射する。反射面３３１で反射された超音波は、線状焦点ＦＬ上に集中し、互いに強め合う干渉を生じる。これにより、線状焦点ＦＬ上には音圧が集中し、微粒子Ｍが線状焦点ＦＬ上に留まるような音圧勾配が発生し、線状焦点ＦＬ付近に流体Ｓ内の微粒子Ｍが捕捉される。

（第一実施形態の効果）
本実施形態の流体デバイス１０は、上述したように、流体Ｓが流通する流路２０と、超音波を送信する超音波印加装置４０と、を備え、流路２０は、流路壁面として、超音波を流体Ｓに印加する超音波印加面４１と、超音波印加面４１から流体Ｓに印加された超音波を反射する反射面３３１と、を有し、反射面３３１は、凹曲面形状を有する。特に、本実施形態において、反射面３３１のＹＺ断面は、流路２０内に焦点Ｆを形成する放物線形状を有する。
このような構成によれば、反射面３３１は、焦点Ｆが連続した線状焦点ＦＬを流路２０内に形成し、反射面３３１で反射された超音波は、流路２０内の線状焦点ＦＬに集中する。これにより、流路２０内の線状焦点ＦＬ付近に強い音圧が作用する領域を生じさせ、当該領域に微粒子Ｍを捕捉することができる。
よって、本実施形態の流体デバイス１０では、発生条件の厳しい定在波を生じさせる必要がなく、所望の位置で微粒子Ｍを捕捉することが容易である。

また、本実施形態の流体デバイス１０において、超音波印加面４１は、反射面３３１に対向している。このような構成によれば、超音波印加面４１から送信された超音波が反射面３３１に対して放物線形状の対称軸ＳＬに沿って入射し易いため、超音波を流路２０内の線状焦点ＦＬに好適に集中させることができる。その結果、微粒子Ｍをより好適に捕捉することができる。

以上の流体デバイス１０は、流体Ｓ中に含まれる微粒子Ｍを適切に分離可能であり、流体デバイス１０の利用の幅を広げることができる。例えば、洗濯機や台所から排出される生活排水を流体デバイス１０に流入させることで、生活排水に含まれる微粒子Ｍを分離することができる。この場合、洗濯水中に含まれる微細なプラスチック繊維や、台所の排水に含まれる洗剤の研磨紛等を分離することができ、プラスチックゴミ等の有害物質による環境被害を抑制することも可能となる。
また、流体デバイス１０は、工業製品や医薬品等の媒質中に分散した微粒子Ｍの分離、および、液中の細胞やウイルスの分離などにも好適に利用できる。

［第二実施形態］
次に、第二実施形態の流体デバイスについて、図４～図６を参照して説明する。なお、第一実施形態と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省略または簡略化する場合がある。

図４は、第二実施形態の流体デバイス１０Ａの一部を模式的に示す斜視図であり、図５は、第二実施形態の流体デバイス１０Ａを流体Ｓの流通方向に直交する面で切断した断面図である。
図４および図５に示すように、流体デバイス１０Ａは、筒部材５０と、筒部材５０に設けられた複数の超音波印加装置４０と、を備え、流体ＳをＸ方向に流通させる流路２０Ａを形成している。この流体デバイス１０Ａでは、第一実施形態と同様、流路２０のＸ方向の一部領域である収束領域Ｒを流通する流体Ｓに対して、超音波印加装置４０から送信された超音波が印加されることで、流体Ｓ中に分散している微粒子Ｍが収束する。

筒部材５０は、Ｘ方向に沿った中心軸Ｃを有する筒形状を有しており、流体デバイス１０Ａにおける流路２０Ａは、主に、筒部材５０の内周面５１によって形成される。筒部材５０の内周面５１は、流体Ｓの流通方向に直交する面での断面視（すなわちＹＺ断面視）で、中心軸Ｃを中心とする円形状を有する。

超音波印加装置４０は、第一実施形態と同様の構成を有する。本実施形態において、超音波印加装置４０は、筒部材５０に形成された貫通孔内に配置され、流路壁面となる超音波印加面４１を有する。すなわち、本実施形態では、流路２０の収束領域Ｒは、筒部材５０の内周面５１と、超音波印加装置４０の超音波印加面４１とによって形成される。
また、複数の超音波印加装置４０は、筒部材５０の中心軸Ｃを中心とする同一の円周上の互いに異なる位置に配置され、互いに位相が揃った超音波を送信するものとする。

本実施形態において、複数の超音波印加装置４０の各超音波印加面４１は、流体Ｓの流通方向に直交する面での断面視（すなわちＹＺ断面視）で、筒部材５０の内周面５１と同一円の円弧形状を成していることが好ましい。このような超音波印加面４１は、筒部材５０の中心軸Ｃに向かって、筒部材５０の径方向に超音波を印加する。また、このような超音波印加面４１は、例えば、超音波印加装置４０を構成する音響整合層や音響レンズなどによって形成されることが好ましい。

また、本実施形態において、超音波印加装置４０は、指向性の高い超音波を送信することが好ましい。具体的には、超音波印加装置４０から送信される超音波の近距離音場限界Ｎは、筒部材５０の内周面５１の直径（すなわち流路断面の直径）である流路径Ｄよりも大きいことが好ましい。なお、近距離音場限界Ｎを求める式は、上述の第一実施形態で説明した式（２）または式（３）を利用できる。

以上の構成によれば、超音波印加面４１から流体Ｓに印加された超音波は、筒部材５０の中心軸Ｃを通過し、超音波印加面４１に対向する筒部材５０の内周面５１の領域（すなわち反射面５１１）に到達する。この超音波は、反射面５１１に対して入射角０°で入射し、当該反射面５１１で反射されることで、入射方向とは１８０°向きを変えて進み、再び、流路２０Ａ内の中心軸Ｃを通過する。このため、超音波印加面４１から流体Ｓに印加された超音波、および、反射面５１１で反射された超音波のそれぞれは、中心軸Ｃ上に集中し、互いに強め合う干渉を生じる。

ここで、本実施形態の筒部材５０には、複数（例えば３つ）の超音波印加装置４０が設けられており、筒部材５０の内周面５１は、各超音波印加面４１に対向する複数（例えば３つ）の反射面５１１を含む。これら内周面５１および反射面５１１の各ＹＺ断面は、同一円の円弧形状を有する。
よって、本実施形態では、図５に示すように、１つの超音波印加面４１からの超音波だけでなく、複数の超音波印加面４１からの超音波が、中心軸Ｃ付近で重なり合う。さらに、複数の反射面５１１からの超音波も同様に、中心軸Ｃ付近で重なり合う。なお、複数の超音波印加面４１からの超音波の位相は互いに揃えられているため、複数の超音波印加面４１からの超音波、および、複数の反射面５１１からの超音波は、中心軸Ｃ付近で重なり合うことで、互いに強め合う干渉を生じる。
したがって、本実施形態では、流路２０Ａ内の中心軸Ｃ付近に音圧が集中し、微粒子Ｍが中心軸Ｃ付近に留まるような音圧勾配が発生し、流体Ｓ内の微粒子Ｍが捕捉される。

また、本実施形態では、超音波印加面４１から印加される超音波のビーム幅として、好適なビーム幅の範囲が存在する。
具体的には、超音波印加装置４０における円形の振動部の直径ｄまたは矩形の振動部の長辺寸法Ｌが超音波のビーム幅ｗに等しいとし、上記式（２）にてＫ＝ｋｆ/４ｃとした場合（または上記式（３）にてＫ＝ｆ/４ｃとした場合）、以下の式（４）が成り立つ。

そして、流路径Ｄが近距離音場限界Ｎよりも小さいことを条件とした場合、以下の式（５）～（７）により、ビーム幅ｗの下限が規定できる。

また、任意の超音波印加面４１からの超音波が入射波として反射面５１１に到達したとき、当該反射面５１１から出射する反射波が当該任意の超音波印加面４１の隣の超音波印加面４１に直接到達しないことを条件とした場合、ビーム幅ｗの上限が規定できる。
例えば、図６は、図中の真ん中に配置された超音波印加面４１からの超音波の拡散を模式的に示す図である。
図６において、入射波が到達する反射面５１１が成す円弧の角度θは、幾何学的に以下の式（８）により表される。
また、図６において、反射波が到達する内周面５１の領域が成す円弧の角度φ_oは、幾何学的に以下の式（９）により表される。
なお、上記式（９）中のφは、図６において反射面の両端を成す点Ａ，Ｂと、反射波が一度収束する点Ｐとをそれぞれ結ぶことで形成される角度である。点Ｐでは、反射波が一度収束するが、互いの位相がずれているため、強め合う干渉は生じないものとする。

ここで、反射波が隣の超音波印加面４１に直接到達しないためには、以下の式（１０）を満たすことが必要である。なお、以下の式（１０）において、φ_ｉは、隣り合う超音波印加面４１の中心軸同士が成す角度であり、超音波印加面４１の中心軸は、円筒部の中心軸Ｃに交差するものとする。また、φ_ｉの最大値は、２つの超音波印加装置４０が円筒部の中心軸Ｃを挟んで対向する配置ときの角度、すなわち１８０°である。
上記式（８）～（１０）によれば、以下の式（１１）～（１３）が成り立つ。

よって、上記式（７）および上記式（１３）により、ビーム幅ｗは、以下の式（１４）により表される。

ここで、上記式（１４）を満たす一例について説明する。
ビーム幅ｗの下限である
について、Ｋ＝ｋｆ/４ｃ、ｋ≦１．３７とした場合、下記式（１５）が成り立つ。
また、ビーム幅ｗの上限である
について、φ_ｉの最大値は１８０°とした場合、下記式（１６），（１７）が成り立つ。
上記式（１５），（１７）を上記式（１４）に代入すると、下記式（１８）が成り立つ。
よって、本実施形態において、ビーム幅ｗは、上記式（１８）を満たすことが好ましい。なお、ビーム幅ｗは、超音波印加面４１の幅、具体的には超音波印加装置４０における円形の振動部の直径Ｄまたは矩形の振動部の長辺寸法Ｌに等しいものとする。

（第二実施形態の効果）
本実施形態の流体デバイス１０Ａは、第一実施形態と同様、凹曲面形状の反射面５１１を有している。また、超音波印加面４１は、反射面５１１に対向しており、超音波印加面４１および反射面５１１は、ＹＺ断面視で、流路２０内の中心軸Ｃ（流路２０内の仮想点に相当）を中心とする同心の円弧形状を有する。
このような構成によれば、超音波印加面４１から印加された超音波および反射面５１１で反射された超音波のそれぞれが流路２０内の中心軸Ｃ付近に集まることで、流路２０内に強い音圧が作用する領域を生じさせ、当該領域に微粒子Ｍを捕捉することができる。
よって、本実施形態の流体デバイス１０Ａにおいても、第一実施形態と同様、発生条件の厳しい定在波を生じさせる必要がなく、所望の位置で微粒子Ｍを捕捉することが容易である。

本実施形態の流体デバイス１０Ａにおいて、流路２０は、複数の超音波印加面４１と、複数の超音波印加面４１にそれぞれ対向する複数の反射面５１１と、を有しており、複数の超音波印加面４１および複数の反射面５１１は、流路２０内の中心軸Ｃ（同一の仮想点に相当）を中心とする同心の円弧形状を有する。このような構成によれば、複数の超音波印加面４１から印加された各超音波と、複数の反射面５１１で反射された各超音波とが流路２０内の中心軸Ｃ付近に集まることで、より強い音圧が作用する領域を流路２０内に生じさせることができ、微粒子Ｍを好適に捕捉することができる。

本実施形態の流体デバイス１０Ａにおいて、複数の超音波印加面４１から流体Ｓに印加される超音波の位相は、互いに一致している。このような構成によれば、流路２０内の中心軸Ｃ付近に集まる超音波は、互いに強め合う干渉を好適に生じることができる。

本実施形態の流体デバイス１０Ａにおいて、超音波印加面４１の幅（すなわちビーム幅ｗ）は、上述の式（１４）、特に上記式（１８）を満たすことが好ましい。このような構成によれば、隣接する超音波印加面４１同士が悪影響を及ぼすことなく、かつ、対応する反射面５１１に向かって指向性の高い超音波を出射することができる。これにより、微粒子Ｍを好適に捕捉することができる。

［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。

第一実施形態および第二実施形態では、超音波印加装置４０が流路壁面となる超音波印加面４１を有するが、超音波印加装置４０と流体Ｓとの間に壁部材が配置され、当該壁部材が流路壁面となる超音波印加面を有してもよい。すなわち、超音波印加装置４０から送信された超音波が壁部材を介して流体Ｓに印加されてもよい。

第一実施形態の流体デバイス１０では、平面状の超音波印加面４１を有する１つの超音波印加装置４０が設けられている。この変形例として、図７の模式図に示すように、流路壁面を成す壁部材６０を採用し、この壁部材６０に対して複数の超音波印加装置４０が設けられてもよい。この場合、壁部材６０は、複数の超音波印加装置４０から送信される各超音波を流体Ｓに印加する超音波印加面６１を有している。また、複数の超音波印加装置４０は、それぞれの位置に応じて送信波の位相を互いにシフトさせることにより、超音波印加面６１から反射面３３１に向かう平面波Ｗを形成することが好ましい。

第二実施形態では、超音波印加面４１および反射面５１１が同一円の円弧形状を有しているが、本発明はこれに限られない。例えば、超音波印加面４１および当該超音波印加面４１に対向する反射面５１１は、互いに径の異なる同心円の円弧形状を有していてもよい。
また、第二実施形態の流体デバイス１０Ａは、複数の超音波印加面４１と、各超音波印加面４１に対向する複数の反射面５１１を有するが、本発明はこれに限られず、１つの超音波印加面４１と、当該超音波印加面４１に対向する１つの反射面５１１を有してもよい。

第一実施形態では、流路壁面となる反射面３３１がＹＺ断面視で放物線形状を有しており、第二実施形態では、流路壁面となる反射面５１１がＹＺ断面視で円弧形状を有しているが、本発明はこれらに限られない。すなわち、第一実施形態の反射面３３１または第二実施形態の反射面５１１は、任意の凹曲面形状を有するものであればよい。

［本開示のまとめ］
本発明に係る第一態様の流体デバイスは、流体が流通する流路と、超音波を送信する超音波素子と、を備え、前記流路は、前記流路を構成する流路壁面として、前記超音波素子から送信された前記超音波を前記流体に印加する超音波印加面と、前記超音波印加面から前記流体に印加された前記超音波を反射する反射面と、を有し、前記反射面は、凹曲面形状を有する。
このような構成によれば、凹曲面形状の反射面で反射された超音波は、流路内に互いに強め合う干渉を生じることで、強い音圧が作用する領域を生じさせ、当該領域に微粒子を捕捉することができる。よって、発生条件の厳しい定在波を生じさせる必要がなく、所望の位置で微粒を捕捉することが容易な流体デバイスを提供できる。

第一態様の流体デバイスにおいて、前記反射面は、前記流体の流通方向に対して交差する面での断面視で、前記流路内に焦点を形成する放物線形状を有することが好ましい。このような構成では、反射面は、焦点が連続した線状焦点を流路内に形成し、反射面で反射された超音波は、流路内の線状焦点に集中する。これにより、流路内の線状焦点付近に強い音圧が作用する領域を好適に生じさせることができる。

第一態様の流体デバイスにおいて、前記超音波印加面は、前記反射面に対向していることが好ましい。このような構成によれば、超音波印加面から送信された超音波が反射面に対して放物線形状の対称軸に沿って入射し易いため、超音波を流路内の線状焦点に好適に集中させることができる。

第一態様の流体デバイスにおいて、前記超音波印加面は、前記反射面に対向しており、前記超音波印加面および前記反射面は、前記流体の流通方向に対して交差する面での断面視で、前記流路内の仮想点を中心とする同心の円弧形状を有することが好ましい。このような構成によれば、超音波印加面から印加された超音波および反射面で反射された超音波のそれぞれが流路内の仮想点付近に集まることで、流路内に強い音圧が作用する領域を生じさせ、当該領域に微粒子を捕捉することができる。

第一態様の流体デバイスは、複数の前記超音波素子を備え、前記流路は、複数の前記超音波素子からの各超音波を前記流体に印加する複数の前記超音波印加面と、複数の前記超音波印加面にそれぞれ対向する複数の前記反射面と、を有し、複数の前記超音波印加面および複数の前記反射面は、前記断面視で、同一の前記仮想点を中心とする同心の円弧形状を有することが好ましい。このような構成によれば、複数の超音波印加面から印加された各超音波と、複数の反射面で反射された各超音波とが流路内の仮想点付近に集まることで、より強い音圧が作用する領域を流路内に生じさせることができる。

第一態様の流体デバイスにおいて、複数の前記超音波素子から送信される超音波の位相は、互いに一致していることが好ましい。このような構成によれば、流路内の仮想点付近に集まる超音波は、互いに強め合う干渉を好適に生じることができる。

第一態様の流体デバイスにおいて、前記流路は、円形状の流路断面を成しており、前記流路断面の直径をＤとし、前記超音波の周波数をｆとし、前記超音波の音速をｃとするとき、前記超音波印加面の幅ｗは、
を満たすことが好ましい。このような構成によれば、隣接する超音波印加面同士が悪影響を及ぼすことなく、かつ、対応する反射面に向かって指向性の高い超音波を出射することができる。これにより、微粒子を好適に捕捉することができる。

１０，１０Ａ…流体デバイス、２０，２０Ａ…流路、３０…流路基板、３１…ベース基板、３１１…凹溝、３２…リッド基板、３３…壁部、３３１…反射面、３３２…底部、４０…超音波印加装置、４１…超音波印加面、５０…筒部材、５１…内周面、５１１…反射面、６０…壁部材、６１…超音波印加面、Ｃ…中心軸、Ｄ…流路径、Ｆ…焦点、ＦＬ…線状焦点、Ｍ…微粒子、Ｒ…収束領域、Ｓ…流体、ＳＬ…対称軸、ｗ…ビーム幅。

Claims

流体が流通する流路と、
超音波を送信する複数の超音波素子と、を備え、
前記流路は、前記流路を構成する流路壁面として、複数の前記超音波素子から送信された前記超音波を前記流体に印加する複数の超音波印加面と、複数の前記超音波印加面に対向し、複数の前記超音波印加面から前記流体に印加された前記超音波を反射する複数の反射面と、を有し、
複数の前記超音波印加面および複数の前記反射面は、前記流体の流通方向に対して交差する面での断面視で、前記流路内の同一の仮想点を中心とする同心の円弧形状を有し、
前記流路は、円形状の流路断面を成しており、
前記流路断面の直径をＤとし、前記超音波の周波数をｆとし、前記超音波の音速をｃとするとき、前記超音波印加面の幅ｗは、
を満たす、流体デバイス。
複数の前記超音波素子から送信される前記超音波の位相は、互いに一致している、請求項１に記載の流体デバイス。