(57)【要約】【課題】流速計測領域に対して非侵襲で、観測領域を透明面に限定せず、マイクロ流れに適用できて実時間計測可能であると共に、自己の流速を計測して、且つ、その流速に応じてマイクロ流れ場の発生を駆動制御する流速制御装置を提供することである。【解決手段】流体制御装置に於いて、超音波トランスデューサ１１により流路１０内に超音波を照射し、所定の位置において音響流を発生させる。上記超音波トランスデューサ１１の駆動信号は駆動信号発生器１２で設定されて発生される。超音波トランスデューサ１１からの超音波によって流体中に生じる音響流の反射エコーから、流速計１５にて流速が測定される。上記流速計１５で得られた流速値に基づいて、制御器１６が上記駆動信号発生装置１２を制御する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中に分散され、流れ場に対して影響を及ぼさない大きさの微粒子を含む流体の流れ場を計測制御する流体制御装置に於いて、
流体中に超音波を照射し、所定の位置において音響流を発生させる送波用超音波トランスデューサと、
上記送波用超音波トランスデューサの駆動信号を設定して発生する駆動信号発生装置と、
上記送波用超音波トランスデューサからの超音波によって流体中に生じる音響流の反射エコーを利用して流速を測定する流速計と、
上記流速計で得られた流速値に基づき上記駆動信号発生装置を制御する制御器と、
を具備することを特徴とする流速制御装置。
【請求項２】
上記流速計は、
上記送波用超音波トランスデューサから照射された超音波により流体中の微粒子に於いて発生する反射エコーを受波する受波用超音波トランスデューサと、
上記受波用超音波トランスデューサで受波された反射エコーのドップラ効果による周波数偏移を検出する周波数偏移検出器と、
上記周波数偏移検出器で検出された周波数偏移量から流速を算出する流速算出器と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の流速制御装置。
【請求項３】
上記駆動信号発生装置の駆動信号は、任意のデューティ比のバースト波であることを特徴とする請求項１に記載の流速制御装置。
【請求項４】
上記受波用超音波トランスデューサは送波用超音波トランスデューサを兼ねており、上記流体中に発生させた音響流の流速を計測することを特徴とする請求項２に記載の流速制御装置。
【請求項５】
上記送波用超音波トランスデューサは、集束超音波ビームを発生することを特徴とする請求項１に記載の流速制御装置。
【請求項６】
上記送波用超音波トランスデューサは、流体が満たされた流路／容器の壁面外部に設けられ、該壁面を介して超音波を発生し、
上記壁面は、少なくとも上記送波用超音波トランスデューサが設けられている部分が、超音波トランスデューサと流路／容器内部の流体が音響整合される材質で、且つ、流路内部の任意の位置に焦点を生じさせる音響レンズとなっていることを特徴とする請求項１に記載の流速制御装置。
【請求項７】
上記送波用超音波トランスデューサは、振動面が流路の壁面を兼用して構成されることを特徴とする請求項１に記載の流速制御装置。
【請求項８】
上記受波用超音波トランスデューサは、流体が満たされた流路／容器の壁面外部に設けられ、該壁面を介して超音波を発生し、
上記壁面は、少なくとも超音波トランスデューサが設けられている部分が超音波トランスデューサと流路／容器内部の流体が音響整合される材質で、且つ、流路内部の任意の位置に焦点を生じさせる音響レンズとなっていることを特徴とする請求項２に記載の流速制御装置。
【請求項９】
上記受波用超音波トランスデューサは、信号検出面が流路の壁面を兼用して構成されることを特徴とする請求項２に記載の流速制御装置。
【請求項１０】
上記受波用超音波トランスデューサは、上記送波用超音波トランスデューサの音軸に対して０度より大きく１８０度未満の角度を有して配置されていることを特徴とする請求項２に記載の流速制御装置。
【請求項１１】
上記送波用超音波トランスデューサは、上記流体中の微粒子の流れの向きが変わる部分に配置されることを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の流速制御装置。
【請求項１２】
上記送波用超音波トランスデューサは、上記音響流の流速を測定する点に焦点をもたせた音響レンズを有することを特徴とする請求項１若しくは２に記載の流速制御装置。
【請求項１３】
流体中に分散され、流れ場に対して影響を及ぼさない大きさの微粒子を含む流体の流れ場を計測制御する流体制御装置に於いて、
流体中に超音波を照射し、音響流を発生させる送波用超音波トランスデューサと、
上記送波用超音波トランスデューサの駆動信号を設定して発生する駆動信号発生装置と、
上記送波用超音波トランスデューサからの超音波によって流体中に生じる音響流の反射エコーを利用して流速を測定する流速計と、
上記駆動信号発生装置からの信号がバースト波を含むパルス送信であって、送波信号の送波時間と受波信号の受波時間を検出し、その時間差を計測する時間差検出器と、
上記時間差検出器で得られた時間差から微粒子の位置を同定する微粒子位置同定器と、
上記流速計で得られた流速値に基づき上記駆動信号発生装置を制御する制御器と、
を具備することを特徴とする流速制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流速計測領域に対して非侵襲で、観測領域を透明面に限定せず、マイクロ流れに適用することができる実時間計測可能な流速計に関する。更に詳細には、この流速計で検出された流速に応じてマイクロ流れ場を制御する流速制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術の応用展開分野として、バイオ・環境・ＩＴ分野が注目されている。その具体的な展開として、僅か数１０ｍｍ角のガラスやシリコンの基板上にマイクロマシニング技術を用いて、化学分析や化学合成に必要な機能を集積し、化学分析・合成システムそのものの小型化を図る研究が、世界中で精力的に取り組まれている。
【０００３】
この研究分野は、μＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）と称されており、従来の実験室で使用する分析装置と比較して、以下に述べる多くの特長を有している。すなわち、分析時間の高速化が可能、分析装置の小型化や可搬化が可能、消費する溶媒や試料の低減が可能、分析コストの低減が可能等である。また、ハイスループットで安価な分析を、医療や環境測定の現場で実現する新しい技術として期待されている。
【０００４】
このμＴＡＳの分野に於いて、流れは、その代表寸法が表面張力の影響が現れる数ミリ以下であり、ミリオーダからサブミクロンオーダまでが「マイクロ流れ」と称される。マイクロ流れを発生させる手段としては、シリンジポンプ等で流体に圧力をかける方法、ポンプの代わりに電圧を印加した際に発生する電気浸透流を利用する方法等が主流である。
【０００５】
このようなマイクロ流れの場合、その流速に応じて、流れ場を制御するフィードバック制御技術が殆ど提案されていないだけでなく、マイクロ流れの計測手法も確立されていない。マイクロ流れでは、これまで通常サイズの流れで無視されていた要因が顕在化する可能性があるため、例え低レイノルズ数の層流条件であっても、通常サイズの流れで得られた知見をマイクロ領域にそのまま外挿することができない場合があり、流れ場を解析的・数値的に求めることが困難なことが多い。
【０００６】
例えば、以下のような理由である。１）作動流体が高分子や添加剤を含んだ非ニュートン流体であったり、粒子・結晶・気泡・液滴・生物細胞等を含む混相流であることが多い。２）微細加工技術の種類によっては流路に加工屑や凝固物が残り、平滑流路とは様相を全く異にすることがある。３）物理化学的、或いは電気化学的効果（壁面近傍の高分子吸着層の影響や壁面上の電気二重層の影響等）がマイクロ流れでは顕在化する。そのため、マイクロ流れの速度場を直接測定することの重要性が再認識されつつある。
【０００７】
マイクロ流れの流速計測として、従来提案・開発されている手法は、マイクロＰＩＶや分子マーカを利用するもの、マイクロセンサを利用するものがある。
【０００８】
ここで、ＰＩＶ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）とは、流れ場に投入した微小トレーサ粒子の動きを解析することによって速度分布を測定する手法である。標準的には、ダブルパルスのシート光で流れ場を照明し、シート光面内の速度二成分を測定する。トレーサ粒子の動きが局所の流体速度と同一であると仮定できれば、撮影されたトレーサ粒子の動きから流体速度とその二次元分布を知ることができる。
【０００９】
したがって、上記マイクロＰＩＶは、標準的な流体計測手法として普及しつつあるＰＩＶをマイクロ流れの速度場計測に適用し、視野範囲を顕微鏡により微小化したものである。マイクロＰＩＶでは、顕微鏡下焦点深度内で二次元速度ベクトルを計測する。
【００１０】
例えば、落射型蛍光顕微鏡に油浸式対物レンズを用いて被写界深度を限定し、照明光からの反射や迷光を除去するために蛍光粒子をトレーサとしたマイクロＰＩＶが記載されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
また、分子マーカを利用した流れ場計測も、開示されている（例えば、特許文献２、及び特許文献３参照）。
【００１２】
【特許文献１】
１９９９  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｆｌｕｉｄｉｃｓ  第２７巻、第４１４頁〜第４１９頁「ＰＩＶ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  ａ  ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ  ｆｌｏｗ」
【００１３】
【特許文献２】
１９９８  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  第７０−１３巻、第２４５９頁〜第２４６７頁「Ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｆ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃａｌｌｙ  ｄｒｉｖｅｎ  ｆｌｏｗｓ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｏｐｅｎｃａｐｉｌｌａｒｉｅｓ」
【００１４】
【特許文献３】
特許第３２７６４５４号公報
上述したトレーサ粒子と周囲流体との間に大きなスリップ速度が発生し得る場合（界面動電現象が関与する電気浸透や電気泳動等）に利用される。分子マーカとしては、蛍光染料、燐光染料、フォトクロミック染料等が用いられる。分子マーカで速度を可視化するためには、細いレーザビーム或いは薄いレーザシートで分子マーカを含む流体を照射し、それによって発色した流体塊の移動を追跡する。
【００１５】
更に、マイクロセンサを用いる方法では、半導体製造技術を利用して作製したマイクロ熱線流速センサが報告されている（例えば、特許文献４及び特許文献５参照）。ポリシリコン製のワイヤは全長が１０〜１６０μｍ、矩形断面が１×０．５μｍである。
【００１６】
【特許文献４】
１９９４  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  第２６４頁〜第２６７頁「Ａ  ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ  ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ  ｈｏｔ−ｗｉｒｅ  ａｎｅｍｏｍｅｔｒｙ」
【００１７】
【特許文献５】
特開平７−５８３４６号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術のマイクロＰＩＶの場合、空間分解能がＣＣＤの画素数、被写界深度、回折限界に起因する粒子像径や、散乱光強度、または蛍光強度等、複数の要因の最適化が非常に困難である。加えて、光学的計測であるため、観測領域が透明である等、光学的アクセスが不可欠となる。
【００１９】
また、分子マーカを利用した方法の場合、毛管電気泳動への適用では、毛管流路への光学的アクセスを確保する必要上、大きな開口数による顕微鏡撮影は難しいため、被写界深度が大きくなってしまう。
【００２０】
その他に問題となるのが、分子拡散によるマーカの「ぼやけ」があり、観察時間を長くする等、対処しなければならない。また、上記ＰＩＶ及び分子マーカを用いる方法では、流速の実時間計測は困難であるため、マイクロ流れ場のフィードバック制御には利用することはできない。
【００２１】
一方、マイクロ熱線流速センサは、センサそのものはμｍサイズで実時間計測可能であるが、挿入タイプであることと、サポートやハーネスの微細化が難しいという課題を有している。
【００２２】
したがって本発明は、流速計測領域に対して非侵襲で、観測領域を透明面に限定せず、マイクロ流れに適用できて実時間計測可能であると共に、自己の流速を計測して、且つ、その流速に応じてマイクロ流れ場の発生を駆動制御する流速制御装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載の発明は、流体中に分散され、流れ場に対して影響を及ぼさない大きさの微粒子を含む流体の流れ場を計測制御する流体制御装置に於いて、流体中に超音波を照射し、所定の位置において音響流を発生させる送波用超音波トランスデューサと、上記送波用超音波トランスデューサの駆動信号を設定して発生する駆動信号発生装置と、上記送波用超音波トランスデューサからの超音波によって流体中に生じる音響流の反射エコーを利用して流速を測定する流速計と、上記流速計で得られた流速値に基づき上記駆動信号発生装置を制御する制御器と、を具備することを特徴とする。
【００２４】
このように構成することにより、音響レンズまたは集束音源の超音波トランスデューサを用いるので、焦点というマイクロな領域で流れ場（音響マイクロ流）を発生させることができる。また、この焦点に於ける反射エコーを検出するため、流速計測領域に対して非侵襲で、観測領域を透明面に限定せず、局所（マイクロ）流れに適用することができる。更に、流速値ｖを制御器にフィードバックすることで駆動信号を更新できるため、焦点というマイクロな領域の流速を観測しながら流れの発生と制御が可能である。
【００２５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に於いて、上記流速計は、上記送波用超音波トランスデューサから照射された超音波により流体中の微粒子に於いて発生する反射エコーを受波する受波用超音波トランスデューサと、上記受波用超音波トランスデューサで受波された反射エコーのドップラ効果による周波数偏移を検出する周波数偏移検出器と、上記周波数偏移検出器で検出された周波数偏移量から流速を算出する流速算出器と、を具備することを特徴とする。
【００２６】
このように構成することにより、送波用超音波トランスデューサの駆動により、超音波の伝搬方向に沿って音響流が発生すると、同時に流体に分散されている微粒子からの反射エコーが起こり、この反射エコーはドップラシフトを受け低周波側へ変化し（ｆ−Δｆ）、周波数偏移検出器はドップラシフトによる周波数偏移量−△ｆを検出する。この周波数偏移量−△ｆは音響流の流速に応じて変化する値であり、流速算出器は周波数偏移量−△ｆに基づき流速ｖを算出するため、実時間計測が可能である。
【００２７】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明に於いて、上記駆動信号発生装置の駆動信号は、任意のデューティ比のバースト波であることを特徴とする。
【００２８】
このように構成することにより、バースト波の長さ、バースト波の間隔によって、音響流の流速が変化するため、駆動信号発生装置の駆動信号を任意のデューティー比のバースト波とすることで、音響流の流速制御が可能となる。
【００２９】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明に於いて、上記受波用超音波トランスデューサは送波用超音波トランスデューサを兼ねており、上記流体中に発生させた音響流の流速を計測することを特徴とする。
【００３０】
このように構成することにより、送受波一体とすることで、送波用超音波トランスデューサと、受波用超音波トランスデューサの音軸合わせが不要となるだけではなく、音響流を発生させながら、同時に、自らの流速を計測することが可能となる。
【００３１】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明に於いて、上記送波用超音波トランスデューサは、集束超音波ビームを発生することを特徴とする。
【００３２】
このように構成することにより、超音波トランスデューサ自体が集束音源となっているため、別途音響レンズを設ける必要がない。
【００３３】
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明に於いて、上記送波用超音波トランスデューサは、流体が満たされた流路／容器の壁面外部に設けられ、該壁面を介して超音波を発生し、上記壁面は、少なくとも上記送波用超音波トランスデューサが設けられている部分が、超音波トランスデューサと流路／容器内部の流体が音響整合される材質で、且つ、流路内部の任意の位置に焦点を生じさせる音響レンズとなっていることを特徴とする。
【００３４】
このように構成することにより、流路／容器の壁面が音響整合層となっているので、流体に直接超音波トランスデューサの振動面を露出できない構成であっても、流体に対して効率的に超音波エネルギを透過させ、且つ流体内の所定の位置に焦点を生じさせることができる。
【００３５】
請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の発明に於いて、上記送波用超音波トランスデューサは、振動面が流路の壁面を兼用して構成されることを特徴とする。
【００３６】
このように構成することにより、振動面が直接流体に接するので、超音波に対する減衰が非常に大きい材質の流路／容器の場合や、超音波の透過率が低い材質の流路／容器の場合等に有効である。
【００３７】
請求項８に記載の発明は、請求項２に記載の発明に於いて、上記受波用超音波トランスデューサは、流体が満たされた流路／容器の壁面外部に設けられ、該壁面を介して超音波を発生し、上記壁面は、少なくとも超音波トランスデューサが設けられている部分が超音波トランスデューサと流路／容器内部の流体が音響整合される材質で、且つ、流路内部の任意の位置に焦点を生じさせる音響レンズとなっていることを特徴とする。
【００３８】
このように構成することにより、流路／容器の壁面が音響整合層となっているので、流体から受波用超音波トランスデューサに対して効率的に超音波エネルギを透過させることができる。
【００３９】
請求項９に記載の発明は、請求項２に記載の発明に於いて、上記受波用超音波トランスデューサは、信号検出面が流路の壁面を兼用して構成されることを特徴とする。
【００４０】
このように構成することにより、振動面が直接流体に接するので、超音波に対する減衰が非常に大きい材質の流路／容器の場合や、超音波の透過率が低い材質の流路／容器の場合等に有効である。
【００４１】
請求項１０に記載の発明は、上記受波用超音波トランスデューサは、上記送波用超音波トランスデューサの音軸に対して０度より大きく１８０度未満の角度を有して配置されていることを特徴とする。
【００４２】
このように構成することにより、送受信軸がある角度で設定されていても、反射エコーによるドップラシフトを検出することができる。また、送波用超音波トランスデューサと受波用超音波トランスデューサを別々に設けるため、検出感度の高い受波用トランスデューサの信号処理を簡単にすることができる。
【００４３】
請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至請求項１０の何れかに記載の発明に於いて、上記送波用超音波トランスデューサは、上記流体中の微粒子の流れの向きが変わる部分に配置されることを特徴とする。
【００４４】
このように構成することにより、振動面が流体中の微粒子の流れの向きと同じ方向になるので、装置を小型化するのに効率が良くなる。
【００４５】
請求項１２に記載の発明は、請求項１若しくは２に記載の発明に於いて、上記送波用超音波トランスデューサは、上記音響流の流速を測定する点に焦点をもたせた音響レンズを有することを特徴とする。
【００４６】
このように構成することにより、流体中の焦点という局所的な微小領域で選択的に流れ場を発生させることができる。
【００４７】
請求項１３に記載の発明は、流体中に分散され、流れ場に対して影響を及ぼさない大きさの微粒子を含む流体の流れ場を計測制御する流体制御装置に於いて、流体中に超音波を照射し、音響流を発生させる送波用超音波トランスデューサと、上記送波用超音波トランスデューサの駆動信号を設定して発生する駆動信号発生装置と、上記送波用超音波トランスデューサからの超音波によって流体中に生じる音響流の反射エコーを利用して流速を測定する流速計と、上記駆動信号発生装置からの信号がバースト波を含むパルス送信であって、送波信号の送波時間と受波信号の受波時間を検出し、その時間差を計測する時間差検出器と、上記時間差検出器で得られた時間差から微粒子の位置を同定する微粒子位置同定器と、上記流速計で得られた流速値に基づき上記駆動信号発生装置を制御する制御器と、を具備することを特徴とする。
【００４８】
このように構成することにより、駆動信号発生装置からの信号をバースト波を含むパルス送信とした場合、駆動信号の送波時間（Ｔ０）から一定時間遅れて反射エコーが受波される（Ｔ１）。この時間差は送波された音波が微粒子の存在する位置まで到達し、微粒子で反射された音波が受波用トランスデューサへ戻るまでの時間であるため、予め音響媒体の音速がわかっていれば、この時間差（Ｔ１−Ｔ０）が検出できれば微粒子の位置が同定できる。しかも、その粒子の速度もドップラシフトから計測することが可能、すなわち、微粒子位置と速度の同時計測が可能である。
【００４９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る流速制御装置に於いて、流れ場は音響流によって発生・制御されるものである。音響流には、例えば、以下のような特徴を有している。すなわち、１）流れの幅は超音波ビームの幅にほぼ等しい。２）超音波の周波数を高くすることで、小さな音響パワーでも速い流れを引き起こすことが可能である。３）流れを阻止する膜または板があっても、超音波がその膜または板を透過すれば流れが再び発生する。４）駆動信号を任意のデューティ比のバースト波にすることで、流速を容易に制御することができる。
【００５０】
音響流を観測する際に、送波した超音波が流体中に浮遊する粒子から反射し、その反射波が流速の情報（ドップラ周波数）を含んで超音波トランスデューサで受波される。すなわち、自らの流速を計測する自己計測ができるため、音響流を高集束超音波ビームによって発生させることにより、焦点というマイクロな領域の流速を観測しながら流れの発生及び制御を行うことが可能である。
【００５１】
以下、図面を参照して、本発明に係る流速制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００５２】
図１は、本発明に係る流速制御装置に於ける第１の実施の形態の構成を示した図、図２は図１の流速計及び音響流についての詳細な構成を示した図である。
【００５３】
図１に於いて、流速制御装置は、流路１０の長手方向に超音波を発生する超音波トランスデューサ（送波用超音波トランスデューサ）１１と、この超音波トランスデューサ１１を駆動する信号を発生する駆動信号発生装置１２と、この駆動信号発生装置１２からの駆動信号を増幅する信号増幅器１３と、上記流路１０内部の所定の位置に於ける液体の流速を検出する流速計１５と、この流速計１５により得られた流速値に基づいて駆動信号を制御する制御器１６と、から構成されている。
【００５４】
上記超音波トランスデューサ１１は、流れ場に対して影響を及ぼさない所定の大きさの微粒子が分散された液体が、内部に満たされた流路１０の流路壁より外部に接着して設けられているもので、後述するように、流路１０の壁面を介して流路長手方向に超音波を発生するものである。
【００５５】
上記流速計１５は、図２に示されるように、超音波トランスデューサ２０と、上記流路１０内部の任意の位置に焦点を生じさせる音響レンズ２２が形成されていて上記流路１０の壁面を構成する流路壁２１と、上記超音波トランスデューサ２０で受波された反射エコーのドップラ効果による周波数偏移を検出するドップラ周波数偏移検出器（周波数偏移検出器）２３と、このドップラ周波数偏移検出器２３で検出された周波数偏移量から流速を算出する流速算出器２４と、を備えて構成されている。
【００５６】
ここで、上記超音波トランスデューサ２０は、該超音波トランスデューサ２０から流路１０内部の液体に超音波を照射すると共に、液体中に分散されている微粒子から発生する反射エコーを受波するものである。また、上記流路壁２１は、少なくとも超音波トランスデューサ２０が接着されている部分が、該超音波トランスデューサ２０と流路１０内部の液体が音響整合される材質で構成されている。
【００５７】
上記音響レンズ２２は、後述する音響流の流速を測定したい点に焦点２８をもたせるようにして、流路壁２１の所定箇所に凹面形状に形成されている。
【００５８】
更に、上記流速算出器２４には、周波数偏移量と流速の関係が、関数として予め用意されており、周波数偏移量が入力されると流速値が得られる構成となっている。
【００５９】
次に、この発明の第１の実施の形態の作用を説明する。
【００６０】
先ず、駆動信号発生装置１２により、所定のデューティ比のバースト波形で、周波数ｆ、電圧Ｖに設定された駆動信号が発生される。この駆動信号は、信号増幅器１３により、その振幅が増幅される。ここで増幅された後の駆動信号により、超音波トランスデューサ１１（超音波トランスデューサ２０）が振動されて超音波が発生される。
【００６１】
発生された超音波は、流路壁２１を経て流路１０内部の液体中に放射される。この液体中での超音波の伝搬に応じて、音響流（直進流）２９と称される流れが、集束超音波ビーム２７によって音響レンズ２２の焦点２８より発生される。この定常流の発生要因としては、例えば、超音波が液体中に伝搬していく際に、液体の粘性や体積粘性の影響で超音波が吸収され、この超音波の吸収に伴い伝搬方向に超音波のエネルギ差が生じて圧力勾配が生じるためと考えられている（例えば、特許文献６参照）。
【００６２】
【特許文献６】
１９９７年電子情報通信学会論文誌  Ａ、第Ｊ−８０−Ａ巻、第１０号、第１６１４頁〜第１６２０頁「音響流の発生機構について」
流路１０内の音波エネルギ分布は、超音波トランスデューサの放射エネルギの積分で求められる。本実施の形態に於いて、超音波トランスデューサ２０では、流路１０の一部が音響レンズ２２を構成していることにより、図２に示されるように、所定の位置に焦点２８が結ばれる。このため、この焦点位置で超音波エネルギが最大となり、これに伴い音響流速も焦点位置で最大となる。
【００６３】
超音波トランスデューサ２０の駆動により音響流が発生すると、同時に液体に分散されている微粒子からの反射エコー３０が起こる。この反射エコー３０は、ドップラシフトを受けて低周波側へ変化する（ｆ−△ｆ）。
【００６４】
ドップラ周波数偏移検出器２３のＦＦＴにより、ドップラシフトによる周波数偏移量−△ｆが検出される。この周波数偏移量−△ｆは、音響流２９の流速に応じて変化する値であり、周波数偏移量−△ｆに基づいて流速算出器２４に与えられている関数により流速値ｖが算出される。
【００６５】
流速算出器２４で得られた流速値ｖは、制御器１６にフィードバックされる。そして、その流速値ｖに基づいて、駆動信号発生装置１２から出力される駆動信号が変更される。
【００６６】
以上のように、第１の実施の形態によれば、同一の超音波トランスデューサで音響流を発生させながら、自らの流速を測る自己計測を行うことができ、且つ、流速のフィードバック制御により流れ場のコントロールが可能である。加えて、本実施の形態では、外部に超音波トランスデューサが設けられた流路壁の一部が音響レンズを構成しているため、流路内部の焦点位置に於いて音響流速は最大になると共に、この焦点に於ける反射エコーを選択的に検出することが可能となる。
【００６７】
ところで、本実施の形態では、超音波トランスデューサが流路の外部に設けられた構成となっているため、流路内部に発生する音響流の流速は、流路壁を透過してくる超音波エネルギの強さに依存する。超音波のエネルギ透過率は、下記（１）式で表せるように、流路壁の厚さＬと、超音波の伝達媒体である流路壁中での波長λ２  の関係で決定される。
【００６８】
【数１】
2004271320.tif 000003
【００６９】
ここで、ρ１  は超音波トランスデューサの密度、ｃ１  は超音波トランスデューサ中での音速、ρ２  は流路壁の密度、ｃ２  は流路壁内部での音速、ρ３  は流路内の液体密度、ｃ３  は流路内の液体中での音速、λ２  は流路壁中での波長、Ｌは流路壁の厚さを表している。
【００７０】
図３は、流路壁の厚さＬと音波エネルギ透過率Ｔとの関係を示す曲線図である。
【００７１】
例えば、超音波トランスデューサの材質としてＰＶＤＦ、流路壁の材質としてアクリル、流路内の液体として水をそれぞれ用いて、超音波の周波数が１００ＭＨｚの場合を示す。図３に示されるように、流路壁の厚さＬを１／４波長の奇数倍の値に設定すると、超音波エネルギの透過率Ｔが最大となる。また、超音波トランスデューサ、流路壁、流路内の液体の音響インピーダンスが同程度であれば、流路壁の厚さＬによらず全体的に透過率Ｔを大きくすることができる。
【００７２】
流路内に透過された超音波エネルギは、その音圧ＰＡ  に依存した駆動力Ｆによって、液体中で音響流を発生させる。
【００７３】
【数２】
2004271320.tif 000004
【００７４】
ここで、音響レンズを用いた場合、流路内部に放射された超音波ビームの音圧ＰＡ  は、下記（３）式で与えられる。
【００７５】
【数３】
2004271320.tif 000005
【００７６】
ここで、Ｐ０  は音響レンズからの初期音圧、ｄは焦点距離、Ｌｒ  はレイリー長、ａは音響レンズの開口半径、ｋは超音波の波数、ｘは音響レンズから径方向の距離、ｚは音響レンズから音軸方向の距離である。また、αは吸収係数であり、周波数のほぼ２乗に比例する係数であることから、高い周波数の超音波ほど、音響流が発生しやすい。
【００７７】
図４は、焦点位置（Ｚ＝２ｍｍ）に於ける半径方向の超音波ビームにより生じる音響流の流速分布を示す曲線図である。
【００７８】
例えば、流路中の液体が水であって、超音波の周波数が１００ＭＨｚ、音響レンズの開口半径ａが１ｍｍ、焦点距離ｄが２ｍｍ、初期音圧５ｋＰａの場合、超音波ビームによる流速の全半値幅は約１００μｍとなる。
【００７９】
ここで、音響流の流れの幅は、超音波ビームの幅にほぼ等しくなることが知られている。焦点領域に於ける超音波ビーム幅を狭くするには、下記（４）式で定義される音響レンズの集束利得Ｇが大きくなるように音源特性を設定すれぱよい。
【００８０】
【数４】
2004271320.tif 000006
【００８１】
すなわち、超音波の波長λ（または周波数ｆ）、開口径ａ、開口面の曲率Ｒを最適に選択することで、更に細く鋭い音響流とすることができる。
【００８２】
以上説明した第１の実施の形態の流速制御装置は、音響流を高集束超音波ビームによって発生させることにより、焦点という領域の流速を観測しながら、マイクロ流れに適用できる流れの発生及び制御が実時間でできるだけでなく、センサ部／流れ駆動源の流路内挿入を必要としない非侵襲での流速計測機構を備えたものである。
【００８３】
尚、この発明の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【００８４】
例えば、流路壁外部へ超音波トランスデューサを設ける手段は、接着に限らず、接合や蒸着、スパッタ、ゾルゲル法、水熱合成法、ジェットプリンティング法、スクリーン印刷法等、とすることができ、流路壁は音響整合をとるために多層とすることができる。
【００８５】
流路形状及び寸法に制限はなく、上述した実施の形態で図示されたものに限らない。例えば、円弧状の流路や幅の広い流路であっても構わない。
【００８６】
また、音響レンズは、上述した第１の実施の形態のように、凹面形状を有したレンズに限られるものではない。例えば、図５に示されるように、流路壁２１と異なる材質から成り、流路１０との境界が曲面で構成された音響レンズ２２ａを用いて、超音波トランスデューサ２０からの音を遅延させることで、所定の位置に焦点２８ａを生じさせる構成となっているものでも良い。この場合、２７ａは集束超音波ビーム、２９ａは音響流、３０ａは反射エコーである。
【００８７】
液体に分散される微粒子は、初めから液体に分散した状態だけではなく、必要に応じて導入または滴下されても構わない。更に、液体の代わりに気体を用いても構わない。
【００８８】
尚、駆動信号発生装置からの信号波形は、バースト波のみならず、必要に応じて、正弦波、矩形波、チャープ波の他、任意波形としても構わない。駆動信号発生装置からの信号振幅が、音響流を発生せしめるのに十分な大きさとなる場合には、信号増幅器１３はなくてもよい。
【００８９】
次に、本発明に係る第２の実施の形態について説明する。
【００９０】
図６は、本発明の第２の実施の形態に於ける流速制御装置の一部を拡大した構成を示した図である。
【００９１】
尚、以下に述べる実施の形態に於いて、上述した第１の実施の形態と同じ部分には同一の参照番号を付してその詳細な説明は省略する。
【００９２】
図６に於いて、第２の実施の形態の流速制御装置に於ける基本的な構成は、上述した第１の実施の形態の流速制御装置と同じであるが、流速計を構成する部分について、超音波トランスデューサとして、音響流を発生せしめる送波用超音波トランスデューサ３３と、この送波用超音波トランスデューサ３３の音軸に対して角度θで配置された受波用超音波トランスデューサ３４の２つを用いた点が異なった構成となっている。尚、角度θは、０°＜θ＜１８０°の範囲で設定されている。
【００９３】
すなわち、第２の実施の形態に於ける流速計は、上述した送波用超音波トランスデューサ３３と、受波用超音波トランスデューサ３４と、音響レンズ２２が形成された流路壁２１と、受波用超音波トランスデューサで受波された反射エコー３８のドップラ効果による周波数偏移を検出するドップラ周波数偏移検出器２３と、流速算出器２４と、を備えている。
【００９４】
そして、上記流路壁２１は、少なくとも、送波用及び受波用の２つの超音波トランスデューサ３３及び３４が接着されている部分が、各超音波トランスデューサと流路１０内部の液体が音響整合される材質であって、且つ、送波用超音波トランスデューサ３３からの集束超音波ビーム３５に対して流路１０内部の任意の位置に焦点３６を生じさせる音響レンズ２２が形成されている。尚、３７は上記焦点３６で発生する音響流である。
【００９５】
次に、この第２の実施の形態の作用を説明する。
【００９６】
図６には示されない駆動信号発生装置に於いて、所定の波形、周波数ｆ、電圧Ｖに設定された駆動信号は、信号増幅器１３で増幅された後、送波用超音波トランスデューサ３３に入力される。すると、流路１０内部の液体中に音響流（直進流）３７が発生する。音響レンズ２２の焦点３６の位置では、音響流速が最大となると同時に、液体に分散されている微粒子からの反射エコー３８が発生する。
【００９７】
この反射エコー３８によるドップラシフト（ｆ−△ｆ）は、受波用超音波トランスデューサ３４により受波される。そして、ドップラ周波数偏移検出器２３のＦＦＴにより、ドップラシフトによる周波数偏移量−△ｆが検出される。次いで、流速算出器２４により、この周波数偏移量−△ｆに基づいて流速ｖが算出される。
【００９８】
このように、第２の実施の形態によれば、送波用超音波トランスデューサ３３と受波用超音波トランスデューサ３４とを別々に設けるため、検出感度の高い受波用トランスデューサの信号処理を簡単にすることができる。
【００９９】
尚、本発明の第２の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【０１００】
例えば、流路壁外部へ超音波トランスデューサを設ける手段は、接着に限らず、接合や蒸着、スパッタ、ゾルゲル法、水熱合成法、ジェットプリンティング法、スクリーン印刷法等とすることができ、流路壁は音響整合をとるために多層とすることができる。
【０１０１】
また、流路形状及び寸法に制限はなく、上述した実施の形態で図示されたものに限られるものではない。例えば、円弧状の流路や幅の広い流路であっても構わない。
【０１０２】
また、音響レンズ２２ａは、図７に示されるように、流路壁２１と異なる材質から成り、流路１０との境界が曲面で超音波トランスデューサからの音を遅延させることで所定の位置に焦点３６ａを生じさせる構成となっているものでも構わない。この場合、３５ａは集束超音波ビーム、３７ａは音響流、３８ａは反射エコーである。
【０１０３】
液体に分散される微粒子は、初めから液体に分散した状態だけではなく、必要に応じて導入または滴下されても構わない。更に、液体の代わりに気体を用いても構わない。
【０１０４】
尚、駆動信号発生装置からの信号波形はバースト波のみならず、必要に応じて、正弦波、矩形波、チャープ波の他、任意波形としても構わない。駆動信号発生装置からの信号振幅が音響流を発生せしめるのに十分な大きさとなる場合には、信号増幅器１３はなくてもよい。
【０１０５】
次に、本発明に係る第３の実施の形態について説明する。
【０１０６】
図８は、本発明の第３の実施の形態に於ける流速制御装置の一部を拡大した構成を示した図である。この第３の実施の形態の流速制御装置に於ける基本的な構成は、上述した第１の実施の形態の流速制御装置と同じであるが、流速計部分について、超音波トランスデューサを外側から流路壁に挿入し、トランスデューサ外周の水密性を保った状態で振動面が流路内部に露出した構成になっている。水密は接着、接合、ネジ止め、Ｏリング等の手法で保たれているものとする。
【０１０７】
すなわち、図８に於いて、凹面超音波トランスデューサ４２は、流路壁４１の外側より流路壁４１内に挿入されている。そして、凹面超音波トランスデューサ４２の流路４０側に形成された凹面４２ａは、流路壁４１と共に流路壁を兼用した構成となっている。
【０１０８】
この凹面超音波トランスデューサ４２より液体中に伝搬された超音波により、音響流（直進流）４５と称される流れが、集束超音波ビーム４３によって凹面４２ａの焦点４４より発生される。
【０１０９】
この第３の実施の形態は、超音波に対する減衰が非常に大きい材質の流路壁の場合や、超音波の透過率が低い材質の流路壁の場合等に有効である。
【０１１０】
尚、この発明の第３の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【０１１１】
例えば、超音波トランスデューサは、流速計測位置に於ける液体の流れを妨げない構成であれば、流路壁を介さず流路内部に配置されていても構わない。流路形状及び寸法に制限はなく、上述した実施の形態で図示されたものに限らない。例えば、円弧状の流路や幅の広い流路であっても構わない。
【０１１２】
また、超音波トランスデューサの放射面に、図９に示されるように、流路壁４１と異なる材質から成り、凹面超音波トランスデェーサ４２からの音を遅延させることで所定の位置に焦点４４ａを生じさせる音響レンズ４７が設けられていても良い。この場合、４３ａは集束超音波ビーム、４５ａは音響流、４６ａは反射エコーである。
【０１１３】
液体に分散される微粒子は、初めから液体に分散した状態だけではなく、必要に応じて導入または滴下されても構わない。更に、液体の代わりに気体を用いても構わない。
【０１１４】
駆動信号発生装置からの信号波形はバースト波のみならず、必要に応じて、正弦波、矩形波、チャープ波の他、任意波形としても構わない。駆動信号発生装置からの信号振幅が音響流を発生せしめるのに十分な大きさとなる場合には、信号増幅器１３はなくても良い。
【０１１５】
次に、本発明に係る第４の実施の形態について説明する。
【０１１６】
図１０は、本発明の第４の実施の形態に於ける流速制御装置の一部を拡大した構成を示した図である。この第４の実施の流速制御装置に於ける基本的な構成は、上述した第３の実施の形態の流速制御装置と同じであるが、流速計部分について、超音波トランスデューサとして、音響流を発生せしめる送波用超音波トランスデューサと、送波用超音波トランスデューサの音軸に対して角度θで配置された受波用超音波トランスデューサの２つを用いた構成となっている。尚、角度θは、０°＜θ＜１８０°の範囲で設定されている。
【０１１７】
図１０に於いて、送波用超音波トランスデューサ４９は、流路壁４１の外側より流路壁４１内に挿入されている。そして、送波用超音波トランスデューサ４９の流路４０側に形成された凹面４９ａは、流路壁４１と共に流路壁を兼用した構成となっている。同様に、受波用超音波トランスデューサ５０は、流路壁４１の外側より流路壁４１内に挿入されており、この受波用超音波トランスデューサ５０の流路壁４１内の端面が流路壁を兼用した構成となっている。尚、５１は送波用超音波トランスデューサ４９の凹面４９ａから発生される集束超音波ビーム５１であり、５２は上記凹面４９ａの焦点、５３はこの焦点５２より発生する音響流、５４は上記焦点５２より生じる反射エコーである。
【０１１８】
また、上記送波用トランスデューサ４９及び受波用トランスデューサ５０は、それぞれトランスデューサ外周の水密性を保った状態で振動面が流路内部に露出した構成になっている。水密は接着、接合、ネジ止め、Ｏリング等の手法で保たれているものとする。
【０１１９】
このように構成された第４の実施の形態による流速制御装置は、超音波に対する減衰が非常に大きい材質の流路壁の場合や、超音波の透過率が低い材質の流路壁の場合等に有効である。また、受波用超音波トランスデューサの配置の自由度が高まる、という効果が得られる。更に、送波用と受波用の各超音波トランスデューサを分離するために、信号のＳ／Ｎを高くすることが可能である。
【０１２０】
尚、この発明の第４の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。
【０１２１】
例えば、送波用トランスデューサ４９及び受波用トランスデューサ５０の各超音波トランスデューサは、流速計測位置に於ける液体の流れを妨げない構成であれば、流路壁を介さず流路内部に配置されていても構わない。また、流路形状及び寸法に制限はなく、上述した実施の形態で図示されたものに限らない。例えば、円弧状の流路や幅の広い流路であっても構わない。
【０１２２】
また、送波用超音波トランスデューサ４９の放射面に、図１１に示されるように、流路壁４１と異なる材質から成り、送波用超音波トランスデューサ４９からの音を遅延させることで所定の位置に焦点５２ａを生じさせる音響レンズ４７が設けられていても良い。この場合、５１ａは集束超音波ビーム、５３ａは音響流、５４ａは反射エコーである。。
【０１２３】
液体に分散される微粒子は、初めから液体に分散した状態だけではなく、必要に応じて導入または滴下されても構わない。更に、液体の代わりに気体を用いても構わない。
【０１２４】
また、駆動信号発生装置からの信号波形はバースト波のみならず、必要に応じて、正弦波、矩形波、チャープ波の他、任意波形としても構わない。駆動信号発生装置からの信号振幅が音響流を発生せしめるのに十分な大きさとなる場合には、信号増幅器１３はなくてもよい。
【０１２５】
次に、本発明に係る第５の実施の形態について説明する。
【０１２６】
図１２は、本発明に係る流速制御装置に於ける第５の実施の形態の構成を示した図である。この第５の実施の形態の流速制御装置の構成は、上述した第１の実施の形態の流速制御装置に加え、微粒子位置計測計５７を加えた構成となっている。
【０１２７】
すなわち、微粒子位置計測計５７は、送波信号の送波時間（Ｔ０）と受波信号受波時間（Ｔ１）を検出し、その時間差（Ｔ１−Ｔ０）を計測する時間差検出器５８と、この時間差検出器５８で得られた時間差（Ｔ１−Ｔ０）から微粒子の位置を同定する微粒子位置同定器５９とから構成されている。
【０１２８】
駆動信号発生装置１２からの信号をバースト波を含むパルス信号とした場合、駆動信号の送波時間（Ｔ０）から一定時間遅れて、超音波トランスデューサ１１で反射エコーが受波される（Ｔｌ）。この時間差（Ｔ１−Ｔ０）は、送波された音波が微粒子の存在する位置まで到達し、微粒子で反射された音波が受波用トランスデューサへ戻るまでの時間である。したがって、予め音響媒体の音速がわかっていれば、この時間差（Ｔ１−Ｔ０）を検出することによって、微粒子の位置を同定することができる。
【０１２９】
この第５の実施の形態によれば、時間差検出器５８で得られた時間差（Ｔ１−Ｔ０）から、微粒子の位置を同定することができると共に、同時にその反射エコーを生じた微粒子に於ける速度を計測することが可能である。
【０１３０】
尚、この発明の第５の実施の形態の各構成は、当然、各種の変形、変更が可能である。例えば、駆動信号発生装置１２からの信号波形はバースト波のみならず、必要に応じて、単パルス波、チャープ波の他、任意波形としても構わない。
【０１３１】
また、駆動信号発生装置１２からの信号振幅が音響流を発生せしめるのに十分な大きさとなる場合には、信号増幅器１３はなくてもよい。
【０１３２】
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。
【０１３３】
図１３は、本発明の第６の実施の形態に係る流速制御装置の具体的な構成例を示した図である。
【０１３４】
図１３に於いて、流速制御装置は、水槽６１内に超音波を発生する送波用超音波トランスデューサ６３及び反射エコー７６を受波する受波用超音波トランスデューサ６４と、上記送波用超音波トランスデューサ６３を駆動する信号を発生する駆動信号発生装置６５と、この駆動信号発生装置６５からの駆動信号を増幅するＲＦアンプ６６と、上記水槽６１内の受波用超音波トランスデューサ６４で受波された液体の流速を検出する流速計６７と、から構成されている。また、この流速計６７は、レシーバ６８と、短波受信用の受信機（短波受信機）７０と、ＦＦＴ処理や流速算出等を行うパーソナルコンピュータ７１とから構成されている。
【０１３５】
上記送波用トランスデューサ６３は音響流発生用のものであり、例えば、駆動周波数５ＭＨｚ、開口直径２７ｍｍ、焦点距離５０ｍｍの集束音源である。そして、この送波用トランスデューサ６３が、例えば、縦横高さが３０×１５×１５ｃｍの水槽６１の側面に取り付けられている。
【０１３６】
この送波用超音波トランスデューサ６３は、その外周の水密性を保った状態で振動面が流路内部に露出した構成になっており、水密は接着、接合、ネジ止め、Ｏリング等の手法で保たれているものとする。また、駆動波形は３００ｍＶｐｐの正弦波であり、５０ｄＢのＲＦアンプ６６を通して上記送波用超音波トランスデューサ６３の振動子に加えている。
【０１３７】
送波用超音波トランスデューサ６３より発生された超音波が水槽６１内の液体中に放射されると、音響流７５が集束超音波ビーム７３によって焦点７４より発生される。また、上記音響流７５が発生すると同時に生じた反射エコー７６は、受波用超音波トランスデューサ６４で受波される。この受波用超音波トランスデューサ６４では、トレーサ用の微粒子が焦点７４付近を流れ去るときのドップラ信号の受信に、開口直径７ｍｍの円形平面振動子が用いられている。尚、音軸との角度θは４５°としている。
【０１３８】
上記受波用超音波トランスデューサ６４で受信された信号は、レシーバ６８で増幅されて、例えば、５ＭＨｚに同調された受信機７０のアンテナ６９に疎に結合される。受信機７０で得られたドップラ音は、パーソナルコンピュータ７１に取り込まれた後、ＦＦＴ処理される。このＦＦＴ処理された信号から、流速値が出力されて駆動信号発生装置６５にフィードバックされる。
【０１３９】
上記トレーサ用の微粒子には、コピー用ミスノン（成分は酸化チタン）が用いられ、実験時の水温を１８℃とした場合、１回のミスノン滴下で数回のドップラ信号が検出される。
【０１４０】
図１４は、ＦＦＴ処理されたドップラ信号のスペクトルの代表例を示した図である。
【０１４１】
約１２０Ｈｚ付近に強いスペクトルのピークがみられる。これから、パーソナルコンピュータ７１にて流速を求めると、約２．３ｃｍ／ｓとなる。
【０１４２】
このようにして、構成が簡単で安価な流速制御装置を提供することができる。
【０１４３】
尚、上述した実施の形態に於いて、流路の形状はＴ字形状若しくはそれに近い形状として説明したが、これに限られるものではない。流路中の微粒子の流れの向きが変わる形状であって、この向きが変わる部分に少なくとも送波用の超音波トランスデューサが配置されるものであればよい。
【０１４４】
また、流速計から駆動信号発生装置に流速をフィードバックして制御するようにしていたが、オープンループであっても良い。
【０１４５】
尚、請求項１に記載の発明に関する実施の形態は、第１、第２、第３、第４、第６の実施の形態が対応する。そして、請求項１に記載の発明によれば、音響レンズまたは集束音源の超音波トランスデューサを用いるので、焦点というマイクロな領域で流れ場（音響マイクロ流）を発生させることができる。また、この焦点に於ける反射エコーを検出するため、流速計測領域に対して非侵襲で、観測領域を透明面に限定せず、局所（マイクロ）流れに適用することができる。更に、流速値ｖを制御器にフィードバックすることで駆動信号を更新できるため、焦点というマイクロな領域の流速を観測しながら流れの発生と制御が可能である。
【０１４６】
請求項２に記載の発明に関する実施の形態は、第１、第２、第３、第４、第６の実施の形態が対応する。そして、請求項２に記載の発明によれば、送波用超音波トランスデューサの駆動により、超音波の伝搬方向に沿って音響流が発生すると、同時に流体に分散されている微粒子からの反射エコーが起こり、この反射エコーはドップラシフトを受け低周波側へ変化し（ｆ−Δｆ）、周波数偏移検出器はドップラシフトによる周波数偏移量−△ｆを検出する。この周波数偏移量−△ｆは音響流の流速に応じて変化する値であり、流速算出器は周波数偏移量−△ｆに基づき流速ｖを算出するため、実時間計測が可能である。
【０１４７】
請求項３に記載の発明に関する実施の形態は、第１、第２、第３、第４の実施の形態が対応する。そして、請求項３に記載の発明によれば、バースト波の長さ、バースト波の間隔によって、音響流の流速が変化するため、駆動信号発生装置の駆動信号を任意のデューティー比のバースト波とすることで、音響流の流速制御が可能となる。
【０１４８】
請求項４に記載の発明に関する実施の形態は、第１、第２の実施の形態が対応する。そして、請求項４に記載の発明によれば、送受波一体とすることで、送波用超音波トランスデューサと、受波用超音波トランスデューサの音軸合わせが不要となるだけではなく、音響流を発生させながら、同時に、自らの流速を計測することが可能となる。
【０１４９】
請求項５に記載の発明に関する実施の形態は、第３、第４の実施の形態が対応する。そして、請求項５に記載の発明によれば、超音波トランスデューサ自体が集束音源となっているため、別途音響レンズを設ける必要がない。
【０１５０】
請求項６に記載の発明に関する実施の形態は、第１、第２の実施の形態が対応する。そして、請求項６に記載の発明によれば、流路／容器の壁面が音響整合層となっているので、流体に直接超音波トランスデューサの振動面を露出できない構成であっても、流体に対して効率的に超音波エネルギを透過させ、且つ流体内の所定の位置に焦点を生じさせることができる。
【０１５１】
請求項７に記載の発明に関する実施の形態は、第３、第４の実施の形態が対応する。そして、請求項７に記載の発明によれば、振動面が直接流体に接するので、超音波に対する減衰が非常に大きい材質の流路／容器の場合や、超音波の透過率が低い材質の流路／容器の場合等に有効である。
【０１５２】
請求項８に記載の発明に関する実施の形態は、第２の実施の形態が対応する。そして、請求項８に記載の発明によれば、流路／容器の壁面が音響整合層となっているので、流体から受波用超音波トランスデューサに対して効率的に超音波エネルギを透過させることができる。
【０１５３】
請求項９に記載の発明に関する実施の形態は、第４の実施の形態が対応する。そして、請求項９に記載の発明によれば、振動面が直接流体に接するので、超音波に対する減衰が非常に大きい材質の流路／容器の場合や、超音波の透過率が低い材質の流路／容器の場合等に有効である。
【０１５４】
請求項１０に記載の発明に関する実施の形態は、第２、第４の実施の形態が対応する。そして、請求項１に記載の発明によれば、送受信軸がある角度で設定されていても、反射エコーによるドップラシフトを検出することができる。また、送波用超音波トランスデューサと受波用超音波トランスデューサを別々に設けるため、検出感度の高い受波用トランスデューサの信号処理を簡単にすることができる。
【０１５５】
請求項１１に記載の発明に関する実施の形態は、第１、第２、第３、第４、第５の実施の形態が対応する。そして、請求項１１に記載の発明によれば、振動面が流体中の微粒子の流れの向きと同じ方向になるので、装置を小型化するのに効率が良くなる。
【０１５６】
請求項１２に記載の発明に関する実施の形態は、第１、第２、第３、第４の実施の形態が対応する。そして、請求項１２に記載の発明によれば、このように構成することにより、流体中の焦点という局所的な微小領域で選択的に流れ場を発生させることができる。
【０１５７】
請求項１３に記載の発明に関する実施の形態は、第５の実施の形態が対応する。そして、請求項１３に記載の発明によれば、駆動信号発生装置からの信号をバースト波を含むパルス送信とした場合、駆動信号の送波時間（Ｔ０）から一定時間遅れて反射エコーが受波される（Ｔ１）。この時間差は送波された音波が微粒子の存在する位置まで到達し、微粒子で反射された音波が受波用トランスデューサへ戻るまでの時間であるため、予め音響媒体の音速がわかっていれば、この時間差（Ｔ１−Ｔ０）が検出できれば微粒子の位置が同定できる。しかも、その粒子の速度もドップラシフトから計測することが可能、すなわち、微粒子位置と速度の同時計測が可能である。
【０１５８】
【発明の効果】
したがって本発明は、流速計測領域に対して非侵襲で、観測領域を透明面に限定せず、マイクロ流れに適用できて実時間計測可能であると共に、自己の流速を計測して、且つ、その流速に応じてマイクロ流れ場の発生を駆動制御する流速制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る流速制御装置に於ける第１の実施の形態の構成を示した図である。
【図２】図１の流速計及び音響流についての詳細な構成を示した図である。
【図３】流路壁の厚さＬと音波エネルギ透過率Ｔとの関係を示す曲線図である。
【図４】焦点位置（Ｚ＝２ｍｍ）に於ける半径方向の超音波ビームにより生じる音響流の流速分布を示す曲線図である。
【図５】図２に示される第１の実施の形態の流速制御装置の変形例を示した図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に於ける流速制御装置の一部を拡大した構成を示した図である。
【図７】図６に示される第２の実施の形態の流速制御装置の変形例を示した図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に於ける流速制御装置の一部を拡大した構成を示した図である。
【図９】図８に示される第３の実施の形態の流速制御装置の変形例を示した図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に於ける流速制御装置の一部を拡大した構成を示した図である。
【図１１】図１０に示される第４の実施の形態の流速制御装置の変形例を示した図である。
【図１２】本発明に係る流速制御装置に於ける第５の実施の形態の構成を示した図である。
【図１３】本発明の第６の実施の形態に係る流速制御装置の具体的な構成例を示した図である。
【図１４】ＦＦＴ処理されたドップラ信号のスペクトルの代表例を示した図である。
【符号の説明】
１０…流路、１１…超音波トランスデューサ、１２…駆動信号発生装置、１３…信号増幅器、１５…流速計、１６…制御器、２０…超音波トランスデューサ、２１…流路壁、２２…音響レンズ、２３…ドップラ周波数偏移検出器、２４…流速算出器、２８…焦点、３０…反射エコー。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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