JP7484534B2

JP7484534B2 - 流体デバイス

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Publication number: JP7484534B2
Application number: JP2020129407A
Authority: JP
Inventors: 力小島; 智英小野木; 摂内清瀬; 満宮坂; 美緒佐々木
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2040-07-30
Also published as: JP2022026105A; CN114076621A; CN114076621B; US20220034846A1

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収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、流路が形成されたガラス基板などの流路基板と、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圧力勾配により、流路内の所定範囲に収束する。

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

しかし、上述の非特許文献１に記載の流体デバイスでは、流体の音響インピーダンスと、流路基板の音響インピーダンスとの差が大きいため、圧電素子で生じた超音波が流路基板から流体に伝搬される際、流路基板と流体との境界において大部分の超音波が反射してしまう。これにより、流体に対する超音波の伝達効率が低くなってしまい、その結果、定在波を発生させるために圧電素子に加えられる駆動電圧や駆動周波数が増大してしまう。

本開示の一態様に係る流体デバイスは、流体が流通する流路と、前記流体に超音波を送信することで、前記流路内の前記流体に、前記流体の流通方向に直交する第１方向に沿って定在波を発生させる超音波素子と、を備え、前記超音波素子は、前記流体に接する流体接触面を有する振動部と、前記振動部に設けられ、前記振動部を前記流体接触面の法線方向に撓み振動させる圧電素子と、を有し、前記法線方向における前記振動部の厚みをｔとし、前記流体の媒質の音速をＣとし、前記振動部内を伝達する縦波の平均音速をＣ’とし、前記一方向における前記流路の寸法をＬとし、前記定在波のモード次数をｎとするとき、

を満たす。

第１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２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３のＢ－Ｂ線矢視断面図。第３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５のＣ－Ｃ線矢視断面図。

［第１実施形態］
以下、図１および図２を参照し、第１実施形態の流体デバイス１０について説明する。
図１は、第１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。
流体デバイス１０は、内部に流路２０が形成された流路基板３０と、流路基板３０に設けられた超音波発生部４０とを備える。
この流体デバイス１０では、超音波発生部４０が、流路２０を流通する流体Ｓに対して超音波を加えることで、流体Ｓの流通方向に直交する一方向に沿って、任意のモード次数の定在波ＳＷを発生させる。流体Ｓ中に分散している微粒子Ｍは、流路２０内を流通する過程で、定在波ＳＷにより形成される圧力勾配の影響を受け、流路２０内の所定範囲に収束する。
このような流体デバイス１０では、例えば、流路２０のうち、微粒子Ｍが収束される範囲の流体Ｓを選択的に流通させる濃縮用流路と、それ以外の範囲の流体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の濃度を濃縮することができる。

なお、図１では、１次モードの定在波ＳＷにより収束される微粒子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内に発生する定在波ＳＷを圧力波形として示している。

［流体デバイス１０の構成］
図２を参照し、流体デバイス１０の概略構成を説明する。
流路基板３０は、内部に流路２０が形成された基板である。この流路基板３０は、例えば、流路２０に対応する溝部を有する一対の基板を互いに接合することで作成できる。流路基板３０を構成する各基板としては、特に限定されないが、例えばガラス基板やシリコン基板を利用できる。
なお、図示を省略するが、流路基板３０には、流体Ｓを流路２０に注入するための注入口と、流路２０から流体Ｓを排出するための１以上の排出口とが設けられる。流路２０が上述したような濃縮用流路および排出用流路にそれぞれ接続される場合には、これらの流路のそれぞれに排出口が設けられる。

本実施形態において、流路基板３０に形成される流路２０の断面は矩形であり、流路２０の深さ方向は、流路基板３０の厚み方向に一致する。また、流路２０を流れる流体Ｓの流通方向は、流路２０の深さ方向に直交し、流路２０の幅方向は、流路２０の深さ方向および流体Ｓの流通方向のそれぞれに直交する。
以下、流体Ｓの流通方向をＸ方向とし、流路２０の幅方向をＹ方向とし、流路２０の深さ方向をＺ方向とする。Ｘ，Ｙ，Ｚ方向は、互いに直交する。

流路基板３０は、Ｚ方向の一方側において流路２０の壁部を構成する上側壁部３１と、Ｚ方向の他方側において流路２０の壁部を構成する下側壁部３２と、Ｙ方向の両側において流路２０の壁部を構成する側方壁部３３，３４とを有する。
流路基板３０には、上側壁部３１をＺ方向に貫通する貫通孔３１１が設けられている。

超音波発生部４０は、流路基板３０の貫通孔３１１を塞ぐように流路基板３０に設けられる。これにより、超音波発生部４０は、流路２０の壁部の一部を成している。
具体的には、超音波発生部４０は、素子基板４１と、素子基板４１に支持される振動膜４２と、振動膜４２に設けられる圧電素子４３と、を備えている。
素子基板４１は、Ｓｉ等の半導体基板で構成される。この素子基板４１は、流路基板３０の貫通孔３１１内において、素子基板４１の厚み方向がＺ方向に沿うように配置されており、素子基板４１の外周面は、流路基板３０の貫通孔３１１の内周面に対して液密に接している。
また、素子基板４１には、素子基板４１の厚み方向に沿って素子基板４１を貫通する開口部４１１が設けられている。

振動膜４２は、例えばＳｉＯ２膜およびＺｒＯ２膜など、複数種類の膜を積層した積層体等より構成されている。この振動膜４２は、素子基板４１に支持されると共に、開口部４１１の一方側（流路２０側とは反対側）を閉塞する。
また、振動膜４２のうち、素子基板４１の厚み方向から見た際に開口部４１１と重なる部分は、超音波の送信を行う振動部４２１を構成する。振動部４２１が有する一対の面のうち一方の面は、流路２０から開口部４１１内に流入する流体Ｓに接する流体接触面４２２となる。
ここで、振動膜４２は、振動膜４２の厚み方向（流体接触面４２２の法線方向）がＺ方向に沿うように配置される。

圧電素子４３は、振動部４２１に対して流体接触面４２２とは反対側の面に設けられている。この圧電素子４３は、図示を省略するが、振動部４２１上に下部電極、圧電膜および上部電極が順に積層されることにより構成されている。

このような超音波発生部４０では、振動部４２１と当該振動部４２１上に配置された圧電素子４３とにより、超音波素子４４が構成される。
この超音波素子４４では、圧電素子４３が図示を省略する駆動部に接続されており、この駆動部から圧電素子４３に駆動信号が入力されると、下部電極と上部電極との間に電圧が印加され、圧電膜が伸縮する。これにより、振動部４２１は、振動部４２１の短辺方向の寸法Ｗ（開口部４１１の開口幅）などに応じた所定の発振周波数で、流体接触面４２２の法線方向に撓み振動する。振動部４２１の撓み振動は、流体Ｓの粗密波に変換されることで超音波の伝搬が行われる。流体Ｓに伝搬された超音波は、振動部４２１を中心に放射状に拡散され、このうちＹ方向に向かって進む超音波が、流路２０の内壁で反射を繰り返すことで、流路２０内に定在波ＳＷを発生させる。

ここで、流路２０内において、Ｙ方向に定在波ＳＷを発生させるため、流路２０のＹ方向の寸法である流路幅Ｌ［ｍ］は、以下の式（１）を満たす。

なお、ｎは、定在波ＳＷのモード次数であり、Ｃは、流体Ｓの媒質の音速［ｍ／sec］であり、Ｆは、圧電素子４３の駆動周波数［Ｈｚ］である。なお、駆動周波数Ｆは、上述した振動部４２１の発振周波数に対応する。

上記式（１）によれば、仮に、媒質が水である場合の媒質の音速Ｃを１５００ｍ／ｓとし、定在波ＳＷのモード次数ｎを１とし、圧電素子４３の駆動周波数Ｆを６００ｋＨｚとする場合、流路幅Ｌは、１．２５ｍｍに設定される。

また、流路２０内において、Ｚ方向の定在波が発生することを抑えるため、流路２０のＺ方向の寸法である流路深さＨ［ｍ］は、以下の式（２）を満たす。

上記式（２）によれば、流路深さＨは、上記（１）により算出される定在波ＳＷのモード次数ｎが１である場合の流路幅Ｌよりも小さい。すなわち、上記式（１），（２）によれば、流路２０は、流路深さＨが流路幅Ｌよりも小さくなるように形成される。

あるいは、流路２０内において、Ｚ方向の定在波が発生することを抑えるため、流路深さＨは、上記式（２）を満たさずに、上記式（１）により設定された流路幅Ｌよりも著しく大きく設定されてもよい。この場合、Ｚ方向に高次モードの定在波が発生する可能性があるが、このような高次モードの定在波は、Ｙ方向発生する定在波ＳＷと比較して音響パワーが小さくなるため、その影響を無視することができる。

［振動部４２１の厚み］
圧電素子４３が駆動される際、振動部４２１に撓み振動を生じさせる横波だけでなく、振動部４２１の内部を伝搬される縦波が発生する。
仮に、振動部４２１の厚みｔが、縦波の波長λよりも大きい場合、振動部４２１内に縦波が支配的になり、振動部４２１から流体Ｓへの超音波の伝搬効率が低下してしまう。すなわち、音響インピーダンスのマッチングが取れていない状態と等しくなってしまう。
また、仮に、振動部４２１の厚みｔが縦波の波長λよりも小さい場合であっても、縦波は振動膜４２内に若干ながら発生する。特に、振動部４２１の厚みｔがλ／４と等しい場合には、振動部４２１が縦波の音響整合層として機能し、振動部４２１内で発生する縦波が流体Ｓへ伝搬され易くなるが、縦波での音響射出の場合、横波での音響射出の場合と比較して、振動部４２１から流体Ｓへの超音波の伝搬効率が低下してしまう。

そこで、本実施形態において、振動部４２１は、厚みｔが縦波の波長λの１／４よりも小さくなるように形成される。すなわち、振動部４２１の厚みｔ［ｍ］は、以下の式（３）を満たす。

なお、振動部４２１の厚みｔは、流体接触面４２２に対する法線方向に沿った振動部４２１の寸法であり、振動膜４２の膜厚に相当する。

上記式（３）における縦波の波長λ［ｍ］は、以下の式（４）で表される。

上記式（４）において、Ｃ’は、振動部４２１内に発生する縦波の平均音速［ｍ／sec］であり、Ｆは、圧電素子４３の駆動周波数［Ｈｚ］である。
上記式（４）によれば、上記式（３）は、以下の式（５）で表される。

また、上記式（５）における駆動周波数Ｆは、上述したように、以下の式（１）を満たす。

上記式（１）において、Ｌは、流路幅［ｍ］であり、ｎは、定在波ＳＷのモード次数であり、Ｃは、流体Ｓの媒質の音速［ｍ／s］であり、Ｆは、圧電素子４３の駆動周波数［Ｈｚ］である。
上記式（１）、（５）によれば、振動部４２１の厚みｔは、以下の式（６）を満たす。

また、本実施形態の振動膜４２は、複数の膜の積層体である。すなわち、本実施形態の振動部４２１は、複数の膜により構成される。この場合、振動部４２１に発生する縦波の平均音速Ｃ’は、以下の方法により算出される。
ここで、振動部４２１を構成する膜の数をｍとし、振動部４２１を構成する各膜の厚みをｔ_k（k＝１，２，・・・ｍ）とし、振動部４２１を構成する各膜における縦波音速の平均をＣ_k（k＝１，２，・・・ｍ）とする場合、以下の式（７）が成り立つ。

また、振動部４２１の厚みｔは、以下の式（８）により表される。

よって、上記式（７），（８）によれば、振動部４２１に発生する縦波の平均音速Ｃ’は、以下の式（９）により表される。

また、振動部４２１の厚みｔは、振動部４２１から流体Ｓへの超音波の伝搬効率を向上させる観点から考えると、上記式（６）を満たしつつ、より小さい値であることが望ましい。
ただし、振動部４２１の厚みｔが小さくなり過ぎると、振動部４２１の厚み方向への応力勾配が大きくなるため、圧電素子４３が駆動される際、振動部４２１に破損が生じる可能性が高くなる。
そこで、本実施形態では、振動部４２１の短辺方向の寸法Ｗと振動部４２１の厚みｔを変化させて圧電素子４３を駆動させる実験を行った結果、振動部４２１の厚みｔが、以下の式（１０）を満たすことが好ましい。

上記式（１０）において、Ｗは、振動部４２１の短辺方向の寸法［ｍ］であり、Ｅ’は、ポアソン比を０．３としたときの振動部４２１の平均ヤング率［Ｐａ］であり、ｎは、定在波ＳＷのモード次数であり、Ｃは、流体Ｓの媒質の音速［ｍ／sec］である。振動部４２１の厚みｔが上記式（１０）の左辺で求められる厚みよりも薄くなると、振動部４２１が破損する可能性が高くなる。

なお、上述したように、本実施形態の振動部４２１は、複数（ｍ枚）の膜により構成される。この場合、振動部４２１の平均ヤング率Ｅ’は、以下の式（１１）により表すことができる。

また、上記式（１１）におけるαは、以下の式（１２）によって定義される。

上記式（１１），（１２）において、ｍは、振動部４２１を構成する膜の数であり、Ｅ_i（i＝１、２、・・・ｍ）は、ポアソン比を０．３としたときの振動部４２１を構成する各膜のヤング率である。
また、ｄ_iは、以下の式（１３）によって表わされる。

上記式（１３）において、ｔ_kは、振動部４２１を構成する各膜の厚み（k＝１，２，・・・ｍ）である。すなわち、ｄ_iは、振動部４２１を構成する各膜の厚みｔ_kをi番目まで足し合わせた値である。

ここで、仮に、本実施形態の流体デバイス１０が以下に記載の構成を有する場合、上述した式（６）および式（１０）により、振動部４２１の厚みｔは、以下の式（１４）の範囲であることが好ましい。
振動部の短片方向の寸法Ｗ：１９μｍ
流路幅Ｌ：３７５μｍ
流体Ｓの媒質の音速Ｃ：１５００ｍ／ｓ
定在波ＳＷのモード次数ｎ：１
振動膜４２：ＳｉＯ_２膜とＺｒＯ_２膜との２層構造
ＳｉＯ_２膜の膜厚ｔ１：０．３５μｍ
ＺｒＯ_２膜の膜厚ｔ２：０．１５μｍ
ＳｉＯ_２のヤング率Ｅ_１：７５ＧＰａ
ＺｒＯ_２のヤング率Ｅ_２：１９０ＧＰａ
ＳｉＯ_２の音速Ｃ_１：５９００ｍ／ｓ
ＺｒＯ_２の音速Ｃ_２：４６５０ｍ／ｓ

［超音波素子４４の配置］
流路２０の内部にＹ方向の定在波ＳＷが生じた場合、音圧が最大になる腹Ａと、音圧が０になる節ＮとがＹ方向に沿って周期的に現れる。なお、本実施形態では、流路２０のＹ方向の両端部のそれぞれに腹Ａが現れる。
例えば、図２に示すように、１次モードの定在波ＳＷが生じた場合、流路２０のＹ方向中央部に節Ｎが現れ、流路２０のＹ方向両端部のそれぞれに腹Ａが現れる。この場合、流体Ｓ中に分散している微粒子Ｍは、流路２０内を流通する過程で、定在波ＳＷの節Ｎに対応する範囲、すなわち流路２０のＹ方向中央部へ収束する（音響収束）。

ここで、流路２０は、Ｙ方向において、定在波ＳＷの節Ｎに対応する節領域ＲＮと、定在波ＳＷの腹Ａに対応する腹領域ＲＡとに、領域分けされる。
なお、流路２０の流路幅をＬ、定在波ＳＷのモード次数をnとするとき、各節領域ＲＮは、各節Ｎの中心からＹ方向に±Ｌ／４ｎまでの範囲とし、各腹領域ＲＡは、それ以外の範囲とする。
このように領域分けされる流路２０に対し、超音波素子４４、具体的には振動部４２１の流体接触面４２２は、Ｚ方向において任意の腹領域ＲＡに対向するように配置される。換言すると、素子基板４１の開口部４１１は、腹領域ＲＡに向かって開口する。
また、超音波素子４４の大きさによっては、超音波素子４４が腹領域ＲＡだけでなく、節領域ＲＮにはみ出して存在してもよいが、振動部４２１が節Ｎには対向配置されないことが望ましい。
なお、図２は、１次モードの定在波ＳＷを例示しているが、本実施形態で発生させる定在波ＳＷは、１次モード以上であればよい。

［本実施形態の効果］
以上に説明したように、本実施形態の流体デバイス１０は、流体Ｓが流通する流路２０と、流体Ｓに超音波を送信することで、流路２０内の流体Ｓに、流体Ｓの流通方向に直交する第１方向（Ｙ方向）に沿って定在波ＳＷを発生させる超音波素子４４と、を備える。超音波素子４４は、流体Ｓに接する流体接触面４２２を有する振動部４２１と、振動部４２１に設けられ、振動部４２１を流体接触面４２２の法線方向に撓み振動させる圧電素子４３と、を有する。そして、振動部４２１の厚み［ｍ］をｔとし、流体Ｓの媒質の音速［ｍ／s］をＣとし、振動部４２１の縦波音速［ｍ／s］をＣ’とし、Ｙ方向における流路２０の寸法［ｍ］をＬとし、定在波ＳＷのモード次数をｎとするとき、流体デバイス１０は、以下の式（６）を満たすように構成される。

このような構成では、振動部４２１の流体接触面４２２が流体Ｓに接触するため、超音波素子４４から流体Ｓまでの超音波の伝搬経路に流路基板３０が介在しない。すなわち、超音波素子４４から流体Ｓへ超音波がダイレクトに伝達される。
また、流体Ｓに接触する振動部４２１の厚みが上記式（６）の範囲で形成されることにより、振動部４２１内での縦波の発生や振動部４２１から流体Ｓへの縦波の伝搬が抑制される。
以上の構成によれば、超音波素子４４の振動部４２１と、振動部４２１に接する流体Ｓとの間の音響インピーダンスのマッチングが取れたことに等しい状態になり、超音波素子４４から流体Ｓへの超音波の伝搬効率を向上させることができる。これにより、圧電素子４３に加える駆動電圧および駆動周波数を従来よりも低く設定することができると共に、定在波ＳＷを発生させる流路２０の幅を従来よりも広く構成することができる。その結果、流体デバイス１０を用いて処理できる流体Ｓの体積流量を大量化することができる。

また、本実施形態の流体デバイス１０は、振動部４２１の短辺方向の寸法［ｍ］をＷとし、ポアソン比を０．３としたときの前記振動膜の平均ヤング率［Ｐａ］をＥ’とし、前記流体の媒質の音速［ｍ／sec］をＣとするとき、以下の式（１０）を満たすように構成される。

このような構成によれば、振動部４２１をできるだけ薄く形成することで超音波素子４４から流体Ｓへの超音波の伝搬効率を向上させつつ、圧電素子４３が駆動される際における振動部４２１の破損を抑制できる。

また、本実施形態の流体デバイス１０において、振動部４２１は、定在波ＳＷにおける任意の腹Ａに対応する腹領域ＲＡに対向するように配置される。
このような配置によれば、超音波素子４４から流体Ｓへの超音波の伝搬効率をより向上させることができる。

また、本実施形態の流体デバイス１０において、Ｚ方向（流通方向および第１方向のそれぞれに直交する第２方向）における流路２０の寸法（流路深さ）Ｈは、Ｙ方向における流路２０の寸法（流路幅）よりも小さい。
これにより、Ｚ方向に定在波が発生することを抑え、Ｙ方向の定在波ＳＷを好適に発生させることができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。
図３は、第２実施形態の流体デバイス１０Ａの一部を模式的に示す断面図であり、図４は、図３のＢ－Ｂ線矢視断面図である。
第２実施形態の流体デバイス１０Ａは、流路基板３０に対する超音波発生部４０の配置以外、第１実施形態の流体デバイス１０とほぼ同様の構成を有する。
以下では、第１実施形態と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

第２実施形態において、流路基板３０には、側方壁部３３をＹ方向に貫通する貫通孔３３１が設けられている。
超音波発生部４０は、側方壁部３３の貫通孔３３１を塞ぐように流路基板３０に設けられることにより、流路２０の壁部の一部を成す。超音波素子４４は、振動部４２１の厚み方向がＹ方向に沿うように配置され、振動部４２１は、Ｙ方向において流路２０の腹領域ＲＡに対向する。

［第２実施形態の効果］
以上の第２実施形態によれば、第１実施形態の流体デバイス１０と同様の効果を奏することができる。
また、第２実施形態において、超音波素子４４は、振動部４２１の厚み方向がＹ方向に沿うように配置されるため、超音波素子４４からの超音波の主な送信方向と、流路２０内で定在波ＳＷを合成する超音波の伝搬方向とが一致する。これにより、定在波ＳＷの形成効率をより向上させることができる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。
図５は、第３実施形態の流体デバイス１０Ｂの一部を模式的に示す断面図であり、図６は、図５のＣ－Ｃ線矢視断面図である。
第３実施形態の流体デバイス１０Ｂは、超音波発生部４０と流路２０との間に圧力室５１および連通路５２が介在する以外、第２実施形態の流体デバイス１０とほぼ同様の構成を有する。
以下では、第１，第２実施形態と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

圧力室５１は、流路基板３０内に形成された流体Ｓの貯留室であり、Ｙ方向において流路２０との間に間隔を空けて形成されている。本実施形態では、圧力室５１は、流路２０のＹ方向一方側の側方壁部３３に形成されているが、Ｙ方向他方側の側方壁部３４に形成されてもよい。
連通路５２は、流路基板３０の側方壁部３３の内部に形成され、圧力室５１と流路２０とを連通する流路である。連通路５２は、Ｙ方向に沿って形成され、流路２０の側部に接続されている。
流路２０は、連通路５２を介して圧力室５１に接続されており、流路２０を流通する流体Ｓは、圧力室５１内に流入する。圧力室５１内は、流体Ｓにより満たされる。
なお、図５および図６では、２つの連通路５２が設けられており、各連通路５２が圧力室５１と流路２０とを連通している。ただし、連通路５２の数は、２つに限られず、１つ以上であればよい。

流路基板３０の側方壁部３３のうち、圧力室５１の壁部となる部分には、圧力室５１と外部とをＹ方向に繋げる貫通孔３３２が設けられている。超音波送信部４０は、この貫通孔３３２を塞ぐように流路基板３０に設けられることにより、圧力室５１の壁部の一部を成す。素子基板４１は、流路基板３０の貫通孔３３２内において、素子基板４１の厚み方向がＹ方向に沿うように配置され、素子基板４１の外周面は、流路基板３０の貫通孔３３２の内周面に対して液密に接している。
ここで、超音波素子４４は、振動部４２１の厚み方向がＹ方向に沿うように配置され、振動部４２１は、圧力室５１および連通路５２を介して、Ｙ方向に流路２０の腹領域ＲＡに対向する。振動部４２１の流体接触面４２２は、圧力室５１内の流体Ｓに接する。

また、第３実施形態の流体デバイス１０Ｂは、連通路５２内および圧力室５１内の流体Ｓに定在波を生じさせずに、流路２０内の流体Ｓに定在波を生じさせるため、以下の式（１５）を満たすように構成される。

上記式（１５）において、Ｌｒは、連通路５２のＹ方向の寸法［ｍ］であり、Ｌｐは、圧力室５１のＹ方向の寸法［ｍ］であり、Ｍは自然数であり、ｎは、定在波ＳＷのモード次数であり、Ｌは、流路２０のＹ方向の寸法（流路幅）［ｍ］である。

また、第３実施形態の流体デバイス１０Ｂは、以下の式（１６）～（１８）を満たすように構成される。

上記式（１６），（１７）において、Ｗ_ｒは、連通路５２のＸ方向の幅［ｍ］であり、Ｌは、流路幅［ｍ］であり、ｎは、定在波ＳＷのモード次数であり、ｄ_ｒは連通路５２のＺ方向の深さ［ｍ］である。
上記式（１６），（１７）が満たされる場合、連通路５２から流路２０内に照射された超音波が流路２０の壁面で反射されて連通路５２に戻ってきたとき、超音波のビーム幅が連通路５２の幅Ｗ_ｒよりも大きくなる。すなわち、超音波のビーム幅が連通路５２の幅Ｗ_ｒよりも大きく広がった状態になる。
また、上記の式（１８）において、Ｓｒは、全ての連通路５２のＹ方向に直交する流路断面積［ｍ^２］であり、Ｌは、流路幅［ｍ］であり、ｎは、定在波ＳＷのモード次数であり、Ｓｂは、振動部４２１の流体接触面４２２の面積［ｍ^２］であり、δは、振動時における振動部４２１の変位量［ｍ］である。
上記式（１８）が満たされる場合、連通路５２がＹ方向に面する流路２０内の範囲の体積を定在波ＳＷのモード次数ｎで割った値が、振動部４２１の撓み振動によって生じる圧力室５１の体積の最大変動量以上になる。

［第３実施形態の効果］
以上の第３実施形態によれば、第１実施形態の流体デバイス１０と同様の効果および第２実施形態の流体デバイス１０Ａと同様の効果を奏することができる。

ここで、第１～第３実施形態では、振動部４２１が流体Ｓに面しているため、超音波素子４４は、流体Ｓに対して超音波をダイレクトに送信する。流体Ｓ内を伝達される超音波は、音響パワーがほぼ減衰しないまま、流路２０の壁面で反射されることで定在波ＳＷを形成する。
上述の第１実施形態および第２実施形態では、振動部４２１が流路２０内の流体Ｓに面しているため、流路２０内で反射された超音波が振動部４２１までダイレクトに帰ってくる。このため、超音波素子４４は、当初に加えた音響パワー以上の超音波を送信しない限り、反射されて帰ってくる超音波に撃ち負けてしまい、流路２０内の超音波の音響パワーを重畳させることが困難である。すなわち、流路２０内の超音波の音響パワーは、最初に送信された超音波の音響パワーによって決定されてしまい、音響パワーの継ぎ足しが困難である。
これに対して、第３実施形態の流体デバイス１０Ｂは、流体Ｓを貯留する圧力室５１と、Ｙ方向に沿って形成されて流路２０と圧力室５１とを連通する連通路５２と、をさらに備え、超音波素子４４は、振動部４２１の流体接触面４２２が圧力室５１内の流体Ｓに接するように配置される。
このような第３実施形態によれば、流路２０の壁面で反射された超音波の一部は、連通路５２を介して振動部４２１にまで帰ってくるが、当該超音波の残りの部分は、流路２０の壁面で再度反射する。すなわち、振動部４２１に帰ってくる超音波の割合を抑制できる。このため、超音波素子４４が送信する超音波は、連通路５２を介して振動部４２１に帰ってくる超音波に撃ち負けず、圧力室５１内の圧力を高めることで、流路２０内に音響パワーを継ぎ足すことができる。これにより、より高い音響パワーの定在波ＳＷを発生させることが容易になる。
特に、第３実施形態の流体デバイス１０Ｂは、上記式（１６），（１７）を満たすように構成されることで、超音波のビーム幅が連通路５２の幅Ｗ_ｒよりも大きく広がった状態になるため、振動部４２１に帰ってくる超音波の割合を抑制する効果を好適に発揮することができる。

さらに、第３実施形態において、流体デバイス１０Ｂは、上記式（１８）が成り立つように構成される。ここで、連通路５２がＹ方向に面する流路２０内の範囲の体積を定在波ＳＷのモード次数ｎで割った値は、連通路５２内の媒質の体積変動に相当する。当該値が振動部４２１の撓み振動によって生じる圧力室５１の体積の最大変動量以上になることで、振動膜４２の変形による圧力室５１内の媒質の体積変動は、連通路５２内の媒質の体積変動として排出されるため、圧力室５１内の圧力上昇を抑えることが可能になる。よって、振動膜４２や圧電素子４３が破損することを抑制できる。

［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、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。

（変形例１）
上記各実施形態では、流体デバイス１０，１０Ａ，１０Ｂにおいて、１個の超音波素子４４が設けられる例を示しているが、複数の超音波素子４４が設けられてもよい。
例えば、素子基板４１に対して複数の開口部４１１がアレイ状に設けられ、素子基板４１に設けられる振動膜４２のうちの各開口部４１１に重なる部分が、振動部４２１を構成してもよい。この場合、各振動部４２１に対して圧電素子４３が設けられることで、複数の超音波素子４４が構成される。
また、上記各実施形態で説明したような超音波発生部４０が複数設けられてもよい。
なお、上記第３実施形態において、複数の超音波素子４４が設けられた場合、上記式（１８）におけるＳｂは、複数の超音波素子４４の流体接触面４２２の合計面積である。

（変形例２）
上記第１実施形態および上記第２実施形態では、流路２０内に形成される定在波ＳＷのうち１つの腹領域ＲＡに対して超音波素子４４が配置される例を示しているが、２以上の腹領域ＲＡに対して、それぞれ超音波素子４４が配置されてもよい。
ただし、定在波ＳＷの節Ｎの両側に現れる腹Ａでは、圧力波形の位相が互いに逆になる。
このため、一方の腹Ａに対応する腹領域ＲＡに対して配置される超音波素子４４と、他方の腹Ａに対応する腹領域ＲＡに対して配置される超音波素子４４との間では、駆動周波数の位相を逆にすることが望ましい。

（変形例３）
上記第３実施形態において、超音波素子４４は、振動部４２１の厚み方向がＹ方向に沿うように配置されているが、これに限られない。
例えば、上記第３実施形態では、圧力室５１の壁部となる流路基板３０の部分にＺ方向の貫通孔が設けられ、超音波発生部４０は、当該貫通孔を塞ぐように設けられ、超音波素子４４は、振動部４２１の厚み方向がＺ方向に沿うように配置されてもよい。
この場合、超音波素子４４から送信される超音波のうち、Ｚ方向に対して角度を有する成分が連通路５２を介して流路２０に向かい、流路２０の内壁で反射を繰り返すことにより、流路２０内にＹ方向の定在波ＳＷが発生する。

（変形例４）
上記各実施形態で説明した超音波発生部４０の具体的構成は、様々な変形が可能である。
例えば、素子基板４１は、流路基板３０の貫通孔３１１の外側に配置されてもよい。この場合、素子基板４１の開口部４１１が流路基板３０の貫通孔３１１に重なるように配置され、素子基板４１の下面が流路基板３０の上面に対して液密に接着される。
また、超音波発生部４０は、素子基板４１を備えず、振動膜４２は、流路基板３０に設けられてもよい。この場合、振動膜４２のうち流路基板３０の貫通孔３１１，３３１に重なる部分が振動部４２１を構成する。

（変形例５）
上記各実施形態では、流体Ｓの流通方向に直交する一方向として、流路２０の幅方向（Ｙ方向）に定在波ＳＷを発生させるが、流路２０の深さ（Ｚ方向）に定在波ＳＷを発生させてもよい。この場合、上記各実施形態で説明したＹ方向とＺ方向とを適宜置き換えた構成が可能である。

［本開示のまとめ］
本開示の一態様に係る超音波デバイスは、流体が流通する流路と、前記流体に超音波を送信することで、前記流路内の前記流体に、前記流体の流通方向に直交する第１方向に沿って定在波を発生させる超音波素子と、を備え、前記超音波素子は、前記流体に接する流体接触面を有する振動部と、前記振動部に設けられ、前記振動部を前記流体接触面の法線方向に撓み振動させる圧電素子と、を有し、前記法線方向における前記振動部の厚みをｔとし、前記流体の媒質の音速をＣとし、前記振動部内を伝達する縦波の平均音速をＣ’とし、前記第１方向における前記流路の寸法をＬとし、前記定在波のモード次数をｎとするとき、

を満たす。

このような構成では、振動部の流体接触面が流体に接触するため、超音波素子から流体までの超音波の伝搬経路に他の部材が介在しない。すなわち、超音波素子から流体へ超音波がダイレクトに伝達される。
また、流体に接触する振動部の厚みが上記式の範囲で形成されることにより、振動部内での縦波の発生や振動部から流体への縦波の伝搬が抑制される。
以上の構成によれば、超音波素子の振動部と、振動部に接する流体との間の音響インピーダンスのマッチングが取れたことに等しい状態になり、超音波素子から流体への超音波の伝搬効率を向上させることができる。これにより、圧電素子に加えられる駆動電圧および駆動周波数を従来よりも低く設定することができると共に、定在波を発生させる流路の幅を従来よりも広く構成することができる。その結果、流体デバイスを用いて処理できる流体の体積流量を大量化させることができる。

本態様に係る流体デバイスにおいて、前記振動部の前記法線方向に直交する短辺方向の寸法をＷとし、ポアソン比を０．３としたときの前記振動部の平均ヤング率をＥ’とし、前記流体の媒質の音速をＣとするとき、

を満たす。
このような構成によれば、振動部をできるだけ薄く形成することで超音波素子から流体への超音波の伝搬効率を向上させつつ、圧電素子が駆動される際における振動部の破損を抑制できる。

本態様に係る流体デバイスにおいて、前記振動部は、前記定在波における任意の腹に対応する腹領域に対向するように配置される。
このような配置によれば、超音波素子から流体への超音波の伝搬効率をより向上させることができる。

本態様に係る流体デバイスにおいて、前記振動部は、前記振動部の厚み方向が前記第１方向に沿うように配置される。
これにより、超音波素子からの超音波の主な送信方向と、流路内に定在波を合成する超音波の伝搬方向とが一致するため、定在波の形成効率をより向上させることができる。

本態様に係る流体デバイスにおいて、前記流通方向および前記第１方向のそれぞれに対して直交する第２方向における前記流路の寸法は、前記第１方向における前記流路の寸法よりも小さい。
これにより、第２方向に定在波が発生することを抑え、第１方向の定在波を好適に発生させることができる。

本態様に係る流体デバイスにおいて、前記流体を貯留する圧力室と、前記第１方向に沿って形成され、前記流路と前記圧力室とを連通する連通路と、をさらに備え、前記超音波素子は、前記流体接触面が前記圧力室内の前記流体に接するように配置される。
このような構成によれば、超音波素子が送信する超音波は、流路内で反射されて連通路を介して振動部に帰ってくる超音波に撃ち負けず、圧力室内の圧力を高めることで、流路内に音響パワーを継ぎ足すことができる。これにより、より高い音響パワーの定在波を発生させることが容易になる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…流体デバイス、２０…流路、３０…流路基板、３１…上側壁部、３１１…貫通孔、３２…下側壁部、３３…側方壁部、３３１…貫通孔、３４…側方壁部、４０…超音波発生部、４１…素子基板、４１１…開口部、４２…振動膜、４２１…振動部、４２２…流体接触面、４３…圧電素子、４４…超音波素子、５１…圧力室、５２…連通路、Ｈ…流路深さ、Ｌ…流路幅、Ｍ…微粒子、Ｎ…節、Ａ…腹、ＲＡ…腹領域、ＲＮ…節領域、Ｓ…流体、ＳＷ…定在波、ｔ…振動部の厚み、Ｗ…振動部の短辺方向の寸法。

Claims

流体が流通する流路と、
前記流体に超音波を送信することで、前記流路内の前記流体に、前記流体の流通方向に直交する第１方向に沿って定在波を発生させる超音波素子と、を備え、
前記超音波素子は、
前記流体に接する流体接触面を有する振動部と、
前記振動部に設けられ、前記振動部を前記流体接触面の法線方向に撓み振動させる圧電素子と、を有し、
前記法線方向における前記振動部の厚みをｔとし、前記流体の媒質の音速をＣとし、前記振動部内を伝達する縦波の平均音速をＣ’とし、前記第１方向における前記流路の寸法をＬとし、前記定在波のモード次数をｎとするとき、

を満たすことを特徴とする流体デバイス。
請求項１に記載の流体デバイスにおいて、
前記振動部の前記法線方向に直交する短辺方向の寸法をＷとし、ポアソン比を０．３としたときの前記振動部の平均ヤング率をＥ’とし、前記流体の媒質の音速をＣとするとき、

を満たすことを特徴とする流体デバイス。
請求項１または請求項２に記載の流体デバイスにおいて、
前記振動部は、前記定在波における任意の腹に対応する腹領域に対向するように配置される
ことを特徴とする流体デバイス。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の流体デバイスにおいて、
前記振動部は、前記流体接触面の前記法線方向が前記第１方向に沿うように配置される
ことを特徴とする流体デバイス。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の流体デバイスにおいて、
前記流通方向および前記第１方向のそれぞれに対して直交する第２方向における前記流路の寸法は、前記第１方向における前記流路の寸法よりも小さい
ことを特徴とする流体デバイス。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の流体デバイスにおいて、
前記流体を貯留する圧力室と、
前記第１方向に沿って形成され、前記流路と前記圧力室とを連通する連通路と、をさらに備え、
前記超音波素子は、前記流体接触面が前記圧力室内の前記流体に接するように配置される
ことを特徴とする流体デバイス。