(57)【要約】【課題】  送液される各種の液体の流量を簡単且つ適切に測定できるようにする。【解決手段】  測定用基板１０に設けた流路１３を流れる液体ｗに気体注入部１４から気体ｖを注入し、気体注入部よりも液体の送液方向下流側の位置に第１検出手段２１として、流路に光を出射する第１発光素子２１ａと、第１発光素子から出射されて気体の部分において反射された光を受光する第１受光素子２１ｂを設けると共に、第１検出手段よりも液体の送液方向下流側の位置に第２検出手段２２として、流路に光を出射する第２発光素子２２ａと、第２発光素子から出射されて気体の部分において反射された光を受光する第２受光素子２２ｂとを設け、流路に注入された気体が第１検出手段によって検出された後、第２検出手段によって検出されるまでの時間に基づいて、流路を通して流れる液体の流量を測定する。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を通して流れる液体の流量を測定する流量測定装置において、液体の流路が形成された測定用基板における前記の流路に気体を注入する気体注入部を設け、この気体注入部よりも液体の送液方向下流側の位置において流路に注入された気体を検出する第１検出手段として、前記の流路に光を出射する第１発光素子と、この第１発光素子から出射されて前記の気体の部分において反射された光を受光する第１受光素子を設けると共に、この第１検出手段よりも液体の送液方向下流側の位置において前記の気体を検出する第２検出手段として、前記の流路に光を出射する第２発光素子と、この第２発光素子から出射されて前記の気体の部分において反射された光を受光する第２受光素子とを設け、前記の流路に注入された気体が第１検出手段によって検出された後、第２検出手段によって検出されるまでの時間に基づいて、流路を通して流れる液体の流量を測定することを特徴とする流量測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の流量測定装置において、前記の第１発光素子及び第２発光素子から出射された光を前記の流路に入射させる入射角が、前記の測定用基板及び液体と前記の気体との界面における臨界角以上であり、前記の測定用基板と液体との界面における臨界角未満であることを特徴とする流量測定装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の流量測定装置において、前記の第１発光素子と、第１受光素子と、第２発光素子と、第２受光素子とを、前記の測定用基板と分離して設けたことを特徴とする流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路を通して流れる液体の流量を測定する流量測定装置に関するものであり、特に、薬液や細胞培養液等の微量の液体を送液する場合等において、送液される各種の液体の流量を簡単且つ適切に測定できるようにした点に特徴を有するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、送液される液体の流量を測定するのに様々な流量測定装置が使用されており、一般に、測定する液体の流量測定値の範囲、液体の種類、測定状況等の各種の条件に基づいて、適当な流量測定装置を用いるようにしている。
【０００３】
また、近年、医療機器分野における人工透析用チューブポンプや、細胞増殖機器分野におけるマイクロ流体デバイス等においては、薬液や細胞培養液等の液体を微量、例えば、μリットル／分の単位で送液させることが行われている。
【０００４】
そして、このような微量の液体の流量を測定する流量測定装置として、従来においては、一般に熱式質量流量計が使用されている。
【０００５】
ここで、このような熱式質量流量計としては、特許文献１に示されるように、流路の上流側において液体の温度を検出する第１の温度センサーと、この第１の温度センサーよりも下流側で液体を加熱するヒーターと、このヒーターよりも下流側において液体の温度を検出する第２の温度センサーとを設け、前記の第１の温度センサーによって検出された液体の温度と、第２の温度センサーによって検出された加熱後における液体の温度との温度差と、流量との相関関係に基づいて、液体の流量を計測するようにしたものが提案されている。
【０００６】
しかし、特許文献１に示されるような熱式質量流量計の場合、液体の流量を計測するにあたり、液体に前記の第１及び第２の温度センサーを接触させて液温を検出するため、液体が雑菌等で汚染されるおそれがあり、また計測する液体をヒーターにより加熱させるため、液体の種類によっては、熱によって変質したりするものがあり、各種の液体の流量を適切に検出することができない等の問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２３３８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
また、本出願人は、先の出願である特願２０１２−２５８９９０において、液体を流す流路の上流側及び下流側に所定の距離隔てた位置に、それぞれ光センサーを配置し、各光センサーにより流路に光を照射し、流路内を移動する気体と液体との光の透過率の違いに基づく光量の変化を検知して、流路内を移動する気体と液体の界面を検出し、上流側の光センサーと下流側の光センサーとによる検知時間の差に基づいて流量を算出するようにした液流量計測装置を提案した。
【０００９】
しかし、このように流路内を移動する気体と液体との光の透過率の違いに基づく光量の変化を検知する場合、気体の種類や液体の種類によっては光の透過率の差が非常に少なく、例えば、水のような透明な液体と空気のような透明な気体とでは、光の透過率の差が少ないため、流路内を移動する気体と液体との光の透過率の違いに基づく光量の変化を検知して、流路内を移動する気体と液体の界面を適切に検出することが困難になることがあり、依然として、各種の液体の流量を適切に検出することができないという問題があった。
【００１０】
本発明は、前記の熱式質量流量計や液流量計測装置における前記のような問題を解決することを課題とするものであり、送液される各種の液体の流量を簡単且つ適切に測定できるようにすることを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明においては、前記のような課題を解決するため、流路を通して流れる液体の流量を測定する流量測定装置において、液体の流路が形成された測定用基板に前記の流路に気体を注入する気体注入部を設け、この気体注入部よりも液体の送液方向下流側の位置において流路に注入された気体を検出する第１検出手段として、前記の流路に光を出射する第１発光素子と、この第１発光素子から出射されて前記の気体の部分において反射された光を受光する第１受光素子を設けると共に、この第１検出手段よりも液体の送液方向下流側の位置において前記の気体を検出する第２検出手段として、前記の流路に光を出射する第２発光素子と、この第２発光素子から出射されて前記の気体の部分において反射された光を受光する第２受光素子とを設け、前記の流路に注入された気体が第１検出手段によって検出された後、第２検出手段によって検出されるまでの時間に基づいて、流路を通して流れる液体の流量を測定するようにした。
【００１２】
ここで、本発明の流量測定装置においては、前記の第１発光素子及び第２発光素子から出射された光が前記の流路に入射される入射角を、前記の測定用基板及び液体と前記の気体との界面における臨界角以上で、前記の測定用基板と液体との界面における臨界角未満にすることが好ましい。このようにすると、流路に注入された気体の部分においては、第１発光素子や第２発光素子から出射された光が全反射されて第１受光素子や第２受光素子に導かれる光量が大きくなる一方、流路を通して流れる液体の部分においては、第１発光素子や第２発光素子から出射された光が全反射されず、第１受光素子や第２受光素子に導かれる光量が気体の部分に比べて非常に少なくなり、これらの光量差により、流路に注入された気体を適切に検出できるようになる。
【００１３】
また、本発明の流量測定装置においては、前記の第１発光素子と第１受光素子と第２発光素子と第２受光素子とを、前記の測定用基板と分離して設けることが好ましい。このようにすると、測定用基板自体のコストが安価になり、種類の異なる複数の液体を用いて流量を測定する場合に、測定用基板における流路において種類の異なる液体が交じり合うのを防止するため、測定用基板における流路を清掃しなくても、前記の測定用基板自体を交換させて、各種の液体の流量を測定することができ、種類の異なる複数の液体の流量を簡単かつ低コストで測定できるようになる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の流量測定装置においては、前記のように測定用基板の流路に気体を注入する気体注入部よりも液体の送液方向下流側の位置において流路に注入された気体を検出する第１検出手段と、この第１検出手段よりも液体の送液方向下流側の位置において前記の気体を検出する第２検出手段とを設け、流路に注入された気体が第１検出手段によって検出された後、第２検出手段によって検出されるまでの時間に基づいて、流路を通して流れる液体の流量を測定するようにしたため、従来の熱式質量流量計のように、液体に第１及び第２の温度センサーを接触させて液温を検出したり、液体をヒーターにより加熱させたりする必要がなく、液体が雑菌等で汚染されたり、液体が熱によって変質したりするということがなく、各種の液体の流量を適切に検出できるようになる。
【００１５】
また、本発明の流量測定装置においては、前記の第１検出手段や第２検出手段において流路における気体を検出するにあたり、第１発光素子や第２発光素子から出射されて気体の部分において反射された光を、第１受光素子や第２受光素子において受光させて、流路における気体を検出するようにしたため、流路内を移動する気体と液体との光の透過率の違いに基づく光量の変化を検知して、流路内を移動する気体と液体の界面を検出する前記の液流量計測装置のように、気体と液体とにおける光の透過率の差が少ない場合に、流路内を移動する気体と液体の界面を適切に検出することが困難になるということがなく、流路内を移動する気体と液体との光の透過率の差が少ない場合においても、流路における気体を簡単かつ適切に検出できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る流量測定装置において使用する測定用基板を示し、構成するベース基板と蓋板とを分離させた状態を示した分解斜視図である。
【図２】前記の実施形態に係る流量測定装置を示した概略斜視図である。
【図３】前記の実施形態に係る流量測定装置において、第１発光素子及び第２発光素子から流路に対して所定の入射角になるようにして出射された光が流路において反射されて、第１受光素子及び第２受光素子に受光される状態を示した概略平面図である。
【図４】前記の実施形態に係る流量測定装置において、第１発光素子や第２発光素子から流路に対して光を所定の入射角になるようにして出射させた状態を示し、（Ａ）は、流路に対して出射された光が、気体が存在する流路の部分において全反射されて、第１受光素子や第２受光素子に導かれる状態を示した部分拡大説明図、（Ｂ）は、流路に対して出射された光が、液体だけが存在する流路の部分において全反射されずに、屈折しながら液体内に導かれる状態を示した部分拡大説明図である。
【図５】前記の実施形態に係る流量測定装置において、液体を送る流路に注入された気体が、第１発光素子から光が出射される流路の位置に導かれた場合に、これを検出する状態を示した概略平面図である。
【図６】前記の実施形態に係る流量測定装置において、液体を送る流路に注入された気体が、第２発光素子から光が出射される流路の位置に導かれた場合に、これを検出する状態を示した概略平面図である。
【図７】前記の実施形態に係る流量測定装置において使用する測定用基板の変更例を示し、測定用基板を構成するベース基板と蓋板とを分離させた状態を示した分解斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態に係る流量測定装置を添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、本発明に係る流量測定装置は、特に下記の実施形態に示したものに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。
【００１８】
本発明の実施形態に係る流量測定装置においては、図１に示すように、測定用基板１０を、アクリル板等の透光性板材で構成されたベース基板１１と、このベース基板１１に装着させる蓋板１２とで構成している。
【００１９】
そして、前記のベース基板１１に、上面が開口された溝状の流路１３を設け、このベース基板１１の上に前記の蓋板１２を装着させて、前記の流路１３の上面を閉塞させ、この流路１３の一端側における導入口１３ａからマイクロポンプ（図示せず）等により液体ｗを流路１３内に導入し、この流路１３を通して液体ｗを送液し、この流路１３の他端側における導出口１３ｂから液体ｗを導出させるようになっている。
【００２０】
また、前記の蓋板１２においては、流路１３に気体ｖを導入する気体注入部１４として気体注入孔１４ａを、前記の導入口１３ａに近い流路１３における液体ｗの送液方向上流側の部分に設けている。
【００２１】
また、前記のベース基板１１においては、流路１２における液体ｗの送液方向上流側の部分に、三角状に突出した第１入射部１５ａと第１出射部１５ｂとを、前記の気体注入孔１４ａの位置よりも下流側の位置において交差するように設けると共に、液体ｗの送液方向下流側の部分に、三角状に突出した第２入射部１６ａと第２出射部１６ｂとを、前記の第１入射部１５ａと第１出射部１５ｂとが交差する位置よりも下流側の位置において交差するように設けている。なお、この実施形態においては、前記の蓋板１２においても、前記の第１入射部１５ａと第１出射部１５ｂと第２入射部１６ａと第２出射部１６ｂとに対応するようにして三角状に突出した突出部１７を設けている。但し、蓋板１２に、これらの突出部１７を必ずしも設ける必要はない。
【００２２】
また、この実施形態においては、図２に示すように、前記の気体注入孔１４ａから流路１３に気体ｖを注入させる位置よりも下流側において、流路１３に注入された気体ｖを検出する第１検出手段２１として、前記の第１入射部１５ａと近接するようにして第１発光素子２１ａを設けると共に、前記の第１出射部１５ｂと近接するようにして第１受光素子２１ｂを設け、また第１検出手段２１よりも液体ｗの送液方向下流側の位置において前記の気体ｖを検出する第２検出手段２２として、前記の第２入射部１６ａと近接するようにして第２発光素子２２ａを設けると共に、前記の第２出射部１６ｂと近接するようにして第２受光素子２２ｂを設けている。
【００２３】
そして、図３に示すように、前記の第１発光素子２１ａから第１入射部１５ａを通して流路１３に対して所定の入射角θになるようにして光を出射させ、この流路１３の部分において反射された光を、第１出射部１５ｂを通して第１受光素子２１ｂにおいて受光させるようにすると共に、前記の第２発光素子２２ａから第２入射部１６ａを通して流路１３に対して所定の入射角θになるようにして光を出射させ、この流路１３の部分において反射された光を、第２出射部１６ｂを通して第２受光素子２２ｂにおいて受光させるようにしている。
【００２４】
ここで、前記の第１発光素子２１ａ及び第２発光素子２２ａから流路１３に対して出射させる光の入射角θは、前記のベース基板１１や液体ｗと気体ｖとの界面における臨界角以上で、ベース基板１１と液体ｗとの界面における臨界角未満になるようにしている。例えば、前記のベース基板１１にアクリル板を用い、屈折率が水に近い液体ｗを用い、前記の気体ｖに空気を用いた場合、ベース基板１１の屈折率は約１．４９、液体ｗの屈折率は約１．３３３、気体ｖの屈折率は約１．０であり、各界面における臨界角θｃを下記の式によって求めた。
臨界角θｃ＝ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）
ｎ１：入射元の物質の屈折率
ｎ２：入射先の物質の屈折率
【００２５】
この結果、ベース基板１１から気体ｖに向かう界面における臨界角θｃ１は約４２．２°、ベース基板１１から液体ｗに向かう界面における臨界角θｃ２は約６３．５°、液体ｗから気体ｖに向かう界面における臨界角θｃ３は約４８．６°になる。
【００２６】
このため、第１発光素子２１ａ及び第２発光素子２２ａから流路１３に対して出射させる光の入射角θを、ベース基板１１から気体ｖに向かう界面における臨界角θｃ１や、液体ｗから気体ｖに向かう界面における臨界角θｃ３より大きくする一方、ベース基板１１から液体ｗに向かう界面における臨界角θｃ２より小さくし（θｃ１＜θｃ３＜θ＜θｃ２）、例えば、前記の入射角θを、臨界角θｃ２（４８．６°）と臨界角θｃ３（６３．５°）との間の５３°にする。このようにすると、図４（Ａ）に示すように、気体ｖが存在する流路１３の部分においては、流路１３と気体ｖとの間に液体ｗが入り込んていたとしても、第１発光素子２１ａ及び第２発光素子２２ａから流路１３に対して出射された光が全反射されて、前記の第１受光素子２１ｂや第２受光素子２２ｂに導かれるようになる。一方、図４（Ｂ）に示すように、液体ｗだけが存在する流路１３の部分においては、第１発光素子２１ａ及び第２発光素子２２ａから流路１３に対して出射された光は全反射されずに、屈折しながら液体ｗ内に導かれるようになり、前記の第１受光素子２１ｂや第２受光素子２２ｂに導かれる光量が、気体ｖが存在する流路１３の部分に比べて大幅に減少する。
【００２７】
そして、このように第１受光素子２１ｂや第２受光素子２２ｂにおいて受光される光量の変化に基づいて、流路１３内における気体ｖの存在を検出することができる。
【００２８】
ここで、この実施形態に係る流量測定装置において、前記の流路１３を通して流れる液体ｗの流量を測定するにあたっては、前記のように流路１３の一端側における導入口１３ａからマイクロポンプ（図示せず）等により液体ｗを流路１３に導入し、この流路１３を通して液体ｗを送液させると共に、前記の気体注入孔から流路１３を流れる液体ｗ中に気体ｖを注入させ、このように注入された気体ｖを液体ｗと一緒に流路１３を通して送るようにする。
【００２９】
そして、流路１３に注入された気体ｖが流路１３を通して液体ｗと一緒に送られて、図５に示すように、前記の第１発光素子２１ａから前記の第１入射部１５ａを通して光が出射される流路１３の位置に気体ｖが導かれると、この光が前記のように気体ｖの部分で全反射されて、前記の第１出射部１５ｂを通して第１受光素子２１ｂに導かれ、第１受光素子２１ｂにおいて受光される光量が大幅に増加し、これをＣＰＵ３０に出力して、第１発光素子２１ａから光が出射される流路１３の位置に気体ｖが導かれたことを検出する。
【００３０】
さらに、前記の気体ｖが流路１３を通して液体ｗと一緒に送られて、図６に示すように、前記の第２発光素子２２ａから前記の第２入射部１６ａを通して光が出射される流路１３の位置に気体ｖが導かれると、この光が前記のように気体ｖの部分で全反射されて、前記の第２出射部１６ｂを通して第２受光素子２２ｂに導かれ、第２受光素子２２ｂにおいて受光される光量が大幅に増加し、これをＣＰＵ３０に出力して、第２発光素子２２ａから光が出射される流路１３の位置に気体ｖが導かれたことを検出する。
【００３１】
そして、前記の第１受光素子２１ｂからＣＰＵ３０に出力されて気体ｖを検出した後、前記の第２受光素子２２ｂからＣＰＵ３０に出力されて気体ｖを検出するまでの時間、第１発光素子２１ａから光が出射される流路１３の位置と第２発光素子２２ａから光が出射される流路１３の位置との間の距離Ｌ、前記の流路１３の断面積Ｓとに基づいて、前記のＣＰＵ３０において、流路１３内を送られる液体ｗの流量を算出するようにしている。なお、流路１３内を送られる液体ｗの流量を算出するにあたっては、前記の導出口１３ｂから導出される液体ｗの量を精密天秤等を用いて測定して、第１受光素子２１ｂからＣＰＵ３０に出力されて気体ｖを検出した後、前記の第２受光素子２２ｂからＣＰＵ３０に出力されて気体ｖを検出するまでの時間と、前記の導出口１３ｂから導出される液体ｗの量との関係をＣＰＵ３０に予め記憶させておき、この記憶データーに基づいて、実際に測定した前記の時間から、流路１３内を送られる液体ｗの流量を算出させるようにすることもできる。
【００３２】
また、この実施形態においては、流路１３に気体ｖを導入する気体注入部１４として、蓋板１３に気体注入孔１４ａを設けるようにしたが、気体注入部１４を設ける構成はこのようなものに限定されない。例えば、図７に示すように、蓋板１３に気体注入孔１４ａを設けないようにする一方、前記のベース基板１１に、気体注入溝１４ｂを導入口１３ａに近い部分における流路１３と合流するように設け、このベース基板１１の上に蓋板１３を装着させて、前記の流路１３と気体注入溝１４ｂとの上面を蓋板１３によって閉塞させ、この気体注入溝１４ｂを通して気体ｖを、導入口１３ａに近い部分における流路１３に導入させるようにすることもできる。
【００３３】
また、この実施形態に係る流量測定装置においては、前記のように第１発光素子２１ａや第２発光素子２２ａからベース基板１１に設けられた流路１３に対して光を出射させ、出射された光を流路１３における気体ｖの部分において反射させて第１受光素子２１ｂや第２受光素子２２ｂに導くようにしているため、前記の蓋板１３としては、特に透光性のものを用いる必要はない。このため、蓋板１３として、着色された光の透過性が低いものを用い、蓋板１３を通して光が第１受光素子２１ｂや第２受光素子２２ｂに導かれないようにし、第１受光素子２１ｂや第２受光素子２２ｂにおいて光量の測定する場合におけるノイズを少なくすることもできる。
【符号の説明】
【００３４】
１０  測定用基板
１１  ベース基板
１２  蓋板
１３  流路、１３ａ  導入口、１３ｂ  導出口
１４  気体注入部、１４ａ  気体注入孔、１４ｂ  気体注入溝
１５ａ  第１入射部、１５ｂ  第１出射部
１６ａ  第２入射部、１６ｂ  第２出射部
１７  突出部
２１  第１検出手段、２１ａ  第１発光素子、２１ｂ  第１受光素子
２２  第２検出手段、２２ａ  第２発光素子、２２ｂ  第２受光素子
３０  ＣＰＵ
ｖ  気体
ｗ  液体
Ｌ  第１発光素子から光が出射される流路の位置と第２発光素子から光が出射される流路の位置との間の距離
Ｓ  流路の断面積
θ  各発光素子から出射された光の流路に対する入射角
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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