(57)【要約】【課題】  流体中にトレーサー等を混合する必要が無く、微小な流体流量を簡単な手段により、正確に測定する。【解決手段】  外部に連通するとともに受動部本体３の流路に連通する流体流路８を形成した基板２と、内部に流路室１４を備えその流路室１４中に配置して流体によって変位する受動板１６を備えた受動部本体３と、外部に連通するとともに受動部本体３の流路に連通する流体流路１２を形成した透明な流路カバー４とを積層して、一連の流路を形成した流路形成本体１を構成する。流路カバー４の上方にレーザー干渉計５を配置し、流路カバー４を透して受動板１６の変位を計測する。受動板１６はその周囲の開口２０を通る流体の流速に対応して変位するので、レーザー干渉計によって流速を計測し、その信号をパソコンに入力することにより流量を測定することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部に連通するとともに受動部本体の流路に連通する流体流路を形成した基板と、
内部に流体流路を備え、該流体流路中に配置して流体によって変位する受動板を備えた受動部本体と、
外部に連通するとともに受動部本体の流路に連通する流体流路を形成した透明な流路カバーとを積層して、一連の流路を形成する流路形成本体を構成し、
前記流路カバーを透して前記受動部本体の受動板の変位を計測するレーザー干渉計を備え、
前記レーザー干渉計による受動板の計測変位により流路中の流体の流速を検出することを特徴するマイクロ流速センサ。
【請求項２】
前記受動板は、受動部本体に形成した流路室の開口中に配置し、前記開口の周縁から延びる可撓性の受動板支持部材により支持されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流速センサ。
【請求項３】
前記受動板支持部材及び受動板は、前記受動部本体と一体形成していることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流速センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種流体の流速を測定する流速計に関し、特に細い流体流路中を流れる微小な流体の流速を正確に測定することができるようにしたマイクロ流速センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より管内を流れる流体の流量を測定するに際しては、例えば特開２００３−１３０７０３号公報に示されるように、流体中にトレーサーを供給し、管内の２点間を移動するトレーサーの流速を計測して流量測定を行っている。
【０００３】
しかしながら、この方法では流体中に何らかのトレーサーを混入させる必要があり、例えば化学反応用流体の流量測定を行う際、或いは高速流体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）のように流体の組成、特性分析を行う流体を精密に供給する部分に用いる際、更にはバイオ研究のためのバイオリアクターのように微小流体を正確に供給しなければならないときに、流体中に他の物質を混入することが好ましくない分野では、上記のようなトレーサーを利用した流量測定を行うことは適切ではない。
【０００４】
それに対して、例えば特表平２−５０３５９７号公報に示されるように、流体の管路中に渦流発生用の筒を配置し、流体の流速、即ち流量に応じて発生する渦によって生じる筒の振動を、その筒内に設けた光学的測定部で計測し、それにより流量を測定することも行われている。
【０００５】
しかしながら、このような渦流式流量計においては、管内を流れる流体が所定以上の流速にならないと渦は発生せず、したがって微小管路を流れる流体の微小流量を測定するのには適していない。
【０００６】
その他、例えば特公平９−３４８５７３号公報に示されるように、流体管路の周壁の一部にヒーターを設け、このヒーターと離れた位置に感熱抵抗を設け、ヒーターにより加熱した流体の温度変化を感熱抵抗によって検出することにより質量流量を計測する方式も存在する。
【０００７】
しかしながら、上記の感熱抵抗を用いた方式においても、流体を加熱することにより流体の温度上昇を招き、化学反応用流体の流量測定等には適さない場合が多い。このように従来より種々の流量測定方法が存在するが、いずれも上記のような化学反応用流体の流量測定や、ＨＰＬＣ、或いはバイオリアクターにおける流量測定に適している流量計は未だ存在しない。また、前記のような各種従来技術においては、流れ方向が逆になったときに同一の装置で対応することはできなかった。
【特許文献１】特開２００３−１３０７０３号公報号公報
【特許文献２】特表平２−５０３５９７号公報
【特許文献３】特開平１１−１６０１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、流体中に不純物を混入させたり、温度変化を起こさせたりする必要が無く、流体の流動によって作動する機械量を直接測定することにより、微小流量を正確に測定することができるとともに、流れ方向が逆になった場合でも容易に対応することができるマイクロ流量計を得る点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるマイクロ流速センサは、上記課題を解決するため、外部に連通するとともに受動部本体の流路に連通する流体流路を形成した基板と、内部に流体流路を備え、該流体流路中に配置して流体によって変位する受動板を備えた受動部本体と、外部に連通するとともに受動部本体の流路に連通する流体流路を形成した透明な流路カバーとを積層して、一連の流路を形成する流路形成本体を構成し、前記流路カバーを透して前記受動部本体の受動板の変位を計測するレーザー干渉計を備え、前記レーザー干渉計による受動板の計測変位により流路中の流体の流速を検出するようにしたものである。
【００１０】
また、本発明による他のマイクロ流速センサは、前記受動板を、受動部本体に形成した流路室の開口中に配置し、前記開口の周縁から延びる可撓性の受動板支持部材により支持したものである。
【００１１】
また、本発明による他のマイクロ流速センサは、前記受動板支持部材及び受動板を、前記受動部本体と一体形成したものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は上記のように構成したので、流体中にトレーサー等を混合する必要が無く、しかも微小な流体流量を簡単な手段により、正確に測定することができ、更に流れ方向が逆になった場合でも容易に対応することができる双方向性を備えている、という利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、トレーサー等を混入することなく微小な流体流量を簡単な手段により正確に測定するため、流体流路中に配置して流体によって変位する受動板に対してレーザーを照射し、レーザー干渉計によって受動板の変位を計測する。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明の実施例の概要図を示しており、流速計測用流路を形成する流路形成本体１の主要部は図２に示すように、基板２と、その上に載置する受動部本体３と、更にその上に載置する透明な流路カバー４とからなっており、その積層体からなる流路形成本体１の上方にレーザ干渉計５を配置している。また、このレーザー干渉計５とパソコン６とを接続し、レーザ干渉計５の作動制御及び信号の入力を行い、流体の流速、即ち流量の計測を行うようにしている。
【００１５】
基板２は図２の斜視図に示すように端面６に形成したの開口７を備え、この開口７に通じる基板流路溝８を基板２の図中上面側に設けている。なお、この基板２は種々の素材から形成することができるが、一例としてガラスを用いることができる。
【００１６】
流路カバー４も同様に、前記基板２の開口７を形成した端面６とは反対側に面する端面１０に開口１１を備え、この開口１０に通じるカバー流路溝１２を流路カバー４の図中下面側に設けている。この流路カバー４はその上方に配置するレーザー干渉計からの光を透過する必要があるため、ガラスで作られれることが好ましい。
【００１７】
受動部本体３は図２及び図３に示すように、図中の下端面１３に開口する中心流路室１４を備え、この中心流路室１４には受動部本体３の上端面１５側に厚さｔの受動板１６をその敢えている。この受動板１６は、中心流路室１４の上端における矩形の開口縁１７の四隅から延びる４本の受動板支持部材１８によって、中心流路室１４の上方中心部に支持されている。上記の受動板１６は、実際には１５０μｍ四方で、その厚さｔは１．７５μｍ程度に製造される。このような構造は受動部本体３としてシリコン素材を用いることによって、半導体の製造技術分野におけるエッチング技術によって容易に形成することができる。
【００１８】
上記４本の受動板支持部材１８により４つの流路開口２０が形成され、その結果図３（ａ）に示すように、基板２の開口７、基板流路溝８、受動部本体３の中心流路室１４、受動板支持部材１８間の流路開口２０、流路カバー４のカバー流路溝１２、流路カバー４の開口１１からなる一連の流体流路が形成される。図３に示す例においてはこの順で流体を流す例を示しており、また図１にはこれと逆の流路で流体を流す例を示している。
【００１９】
図１に示されるように、レーザー干渉計５はレーザー光をガラス製の透明な流路カバー４を透し、また流路カバー４のカバー流路溝１２及びこのカバー流路溝１２を流れる流体を透して受動板１６の上端面２１に照射し、その反射光を受光することができるように配置し、その受光信号をパソコン６に出力している。このレーザー干渉計５としては種々の干渉計を使用することができるが、受動板１６の動きを高速で検出するため、レーザードップラー干渉計を用いることが好ましい。現在、このようなレーザー干渉計は、４７mm×３８mm×１９mm程度の小型のものが利用可能となっており、５００μｍ四方程度の上記のような微小な流路における微小な可動板の移動を検出することが容易に行われるようになっている。
【００２０】
上記のような構造からなる本発明によるマイクロ流速センサの使用に際して、図１に示す例においては流路カバー４の開口１１から流体を導入し、流路開口２０を通って中心流路室１４に流入し、基板２の開口７から排出するようにしているものであるが、このような流体の流れにおいて、受動板１６は流体の速度に応じて下方に変位する。その変位はレーザー干渉計５によって検出され、パソコンに取り込まれ信号処理されて流量の検出が行われる。なお、レーザー干渉計５としては従来から各種分野で用いられている例えばマイケルソン干渉計を初めとする種々の干渉計を用いることができ、用いるレーザ光線についても、単一周波数のホモダイン型、或いは２つの周波数を用いるヘテロダイン型等の干渉計を用いることもできる。
【００２１】
なお、流体の流動方向が図３に示すように前記実施例とは逆の時には、受動板１６は流体の流れによって上方に変位し、その変位をレーザー干渉計５によって検出することにより流量の測定を行うことができる。
【００２２】
図４には本発明からなるマイクロ流速センサを実際に製作し、測定実験を行った結果を示している。同図のグラフは蠕動性のチューブポンプを用い、種々の回転数で駆動してパルス的に水を流したときに、光干渉計で得られる受動板の変位を示している。同グラフの実験においてはポンプのスタート後、ポンプのパルス的な作動の周波数を順に上昇させ、その後順に降下させたものであり、ポンプの作動駆動周波数が少ないときはその周波数に対応して流速が遅く、受動板の変位が小さい。このときも同グラフに示されるように、ポンプのパルス周期による圧力変化によって流体が変化している状態まで明瞭に検出できていることがわかる。
【００２３】
また、ポンプの駆動周波数を変化させると、それに合わせて変位が変化しており、このことから、予めこの受動板の変位特性のデータを得ておくことにより、レーザー干渉計５で計測した受動板の変位測定結果から、流路を流れる流体の流速を精密に計測することができ、正確な流量を測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明によるマイクロ流速センサーは、微小な流路を流れる流体の流速を正確に測定することができるので、直径数μm〜数ｍｍの微小空間内の現象を利用した化学反応・物質生産の為の混合・反応・分離等の単位操作の集積化システムである化学反応用流体を計測する技術分野や、バイオ技術分野、その他同様の各種の技術分野に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の全体概要を示す説明図である。
【図２】本発明における流路形成本体の分解斜視図である。
【図３】（ａ）は同流路形成本体の断面図であり、（ｂ）は同平面図である。
【図４】本発明によるマイクロ流速センサーを製作し実験を行った結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１  流路形成本体
２  基板
３  受動部本体
４  流路カバー
５  レーザ干渉計
６  パソコン
７  開口
８  基板流路溝
１０  端面
１１  開口
１２  カバー流路溝
１３  下端面
１４  中心流路室
１５  上端面
１６  受動板
１７  開口縁
１８  受動板支持部材
２０  流路開口
２１  上端面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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