JP2006300565A - 流速計測素子及びマイクロ流路デバイス - Google Patents

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智恵 福田
Tetsuya Hattori
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Abstract

【課題】 機械的強度に優れた構造を有する流速計測素子及びマイクロ流路デバイスを提供する。
【解決手段】 流速計測素子１０は、流体ａ及び流体ａ中に含まれるトレーサｂが流れるマイクロ流路９と、マイクロ流路９の第１部分１１に光学的に結合された光導波路１５と、第１部分１１より下流に位置する第２部分１３に光学的に結合された光導波路１７と、第１部分１１を介して光導波路１５に光学的に結合された光導波路１９と、第２部分１３を介して光導波路１７に光学的に結合された光導波路２１と、光導波路１５及び光導波路１７に光学的に結合された光源２３と、光導波路１９及び光導波路２１に光学的に結合された光検出部２６とを備える。マイクロ流路９、光導波路１５、光導波路１７、光導波路１９及び光導波路２１は、基板２９に設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、流速計測素子及びマイクロ流路デバイスに関する。
特許文献１に記載されているように、マイクロ流路中に棒状又は板状の歪曲部材が設置された流速計測素子が知られている。この流速計測素子では、歪曲部材が流体からの作用力を受けて歪曲する。マイクロ流路を流れる流体の速度は、歪曲部材の歪曲度を検出することによって計測される。
特開２００２−１５６２５４号公報
しかしながら、上記流速計測素子を用いて例えば粒子状の異物が混入した流体の速度を計測する場合には、当該異物が歪曲部材に接触することによって歪曲部材が破壊されるおそれがある。特に、マイクロ流路の幅は非常に狭いので、異物が歪曲部材を破壊してしまう可能性は極めて高い。歪曲部材が破壊されてしまうと、もはや流体の速度を計測することができない。
そこで本発明は、機械的強度に優れた構造を有する流速計測素子及びマイクロ流路デバイスを提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明の流速計測素子は、流体及び前記流体中に含まれるトレーサが流れるマイクロ流路と、前記マイクロ流路の第１部分に光学的に結合された一端を有する第１の光導波路と、前記第１部分より下流に位置する前記マイクロ流路の第２部分に光学的に結合された一端を有する第２の光導波路と、前記第１部分を介して前記第１の光導波路の前記一端に光学的に結合された一端を有する第３の光導波路と、前記第２部分を介して前記第２の光導波路の前記一端に光学的に結合された一端を有する第４の光導波路と、前記第１の光導波路の他端及び前記第２の光導波路の他端に光学的に結合された光源と、前記第３の光導波路の他端及び前記第４の光導波路の他端に光学的に結合された光検出部とを備え、前記マイクロ流路、前記第１の光導波路、前記第２の光導波路、前記第３の光導波路及び前記第４の光導波路が、基板に設けられている。
本発明の流速計測素子によれば、光源から第１の光導波路の他端に入射される光は、第１の光導波路を通って第１の光導波路の一端からマイクロ流路の第１部分に供給される。また、光源から第２の光導波路の他端に入射される光は、第２の光導波路を通って第２の光導波路の一端からマイクロ流路の第２部分に供給される。第１部分を通過した光は第３の光導波路の一端に入射され、第３の光導波路を通る。第３の光導波路の他端から出射される光は、光検出部に到達する。また、第２部分を通過した光は第４の光導波路の一端に入射され、第４の光導波路を通る。第４の光導波路の他端から出射される光は、光検出部に到達する。トレーサは、流体と共に、第１部分を通過した後に第２部分を通過する。
ここで、第３の光導波路の他端から出射され光検出部に到達する光の光量は、トレーサが第１部分を通過することにより変化する。また、第４の光導波路の他端から出射され光検出部に到達する光の光量は、トレーサが第２部分を通過することにより変化する。よって、光検出部に到達する光の光量が変化する時刻の差と、第１部分と第２部分との間の距離とを用いて、流体の流速を算出することができる。
本発明の流速計測素子では上述のように流体の流速を計測できるので、マイクロ流路内に流速を計測するための構造物を設ける必要がない。したがって、本発明の流速計測素子は、機械的強度に優れた構造を有する。
前記光検出部は、前記第３の光導波路の前記他端に光学的に結合された第１の光検出器と、前記第４の光導波路の前記他端に光学的に結合された第２の光検出器とを備えることが好ましい。この場合、第３の光導波路の他端から出射される光と第４の光導波路の他端から出射される光とを別々に検出できる。したがって、第１部分と第２部分との間の距離が短い場合であっても流体の流速を高精度に算出することができる。
前記第１の光導波路の前記他端と前記第２の光導波路の前記他端とは光学的に結合していることが好ましい。この場合、第１の光導波路及び第２の光導波路に一つの光源から光を供給することができるので、流体計測素子の部品点数を削減することができる。
また、前記第１部分と前記光検出部との間の光路長と、前記第２部分と前記光検出部との間の光路長とが略同じであることが好ましい。これにより、流体の流速を容易に算出することができる。
また、前記基板が石英ガラスから構成されることが好ましい。この場合、基板の耐薬品性が向上するので、比較的幅広い種類の流体の流速を計測することができる。
また、前記トレーサが、石英ガラスから構成される粒子であることが好ましい。この場合、トレーサの耐薬品性が向上するので、比較的幅広い種類の流体の流速を計測することができる。
また、前記光源及び前記光検出部が、前記基板に設けられていることが好ましい。この場合、光源と第１の光導波路の他端及び第２の光導波路の他端との光軸合わせが容易になると共に、光検出部と第３の光導波路の他端及び第４の光導波路の他端との光軸合わせが容易になる。
本発明のマイクロ流路デバイスは、流体の速度を計測する流速計測素子に用いられるマイクロ流路デバイスであって、前記流体及び前記流体中に含まれるトレーサが流れるマイクロ流路と、前記マイクロ流路の第１部分に光学的に結合された一端を有する第１の光導波路と、前記第１部分より下流に位置する前記マイクロ流路の第２部分に光学的に結合された一端を有する第２の光導波路と、前記第１部分を介して前記第１の光導波路の前記一端に光学的に結合された一端を有する第３の光導波路と、前記第２部分を介して前記第２の光導波路の前記一端に光学的に結合された一端を有する第４の光導波路とを有する基板を備える。
本発明のマイクロ流路デバイスでは、光を第１の光導波路に供給すると、当該光は第１の光導波路を通って第１の光導波路の一端から出射され、マイクロ流路の第１部分に供給される。第１部分を通過した光は第３の光導波路の一端に入射され、第３の光導波路を通る。また、光を第２の光導波路に供給すると、当該光は第２の光導波路を通って第２の光導波路の一端から出射され、マイクロ流路の第２部分に供給される。第２部分を通過した光は第４の光導波路の一端に入射され、第４の光導波路を通る。トレーサは、流体と共に、第１部分を通過した後に第２部分を通過する。
ここで、第３の光導波路から出射される光を検出すると、検出される光の光量は、トレーサが第１部分を通過することにより変化する。また、第４の光導波路から出射される光を検出すると、検出される光の光量は、トレーサが第２部分を通過することにより変化する。よって、検出される光の光量が変化する時刻の差と、第１部分と第２部分との間の距離とを用いて、流体の流速を算出することができる。
本発明のマイクロ流路デバイスでは、マイクロ流路内に流速を計測するための構造物を設ける必要がない。したがって、本発明のマイクロ流路デバイスは、機械的強度に優れた構造を有する。
本発明によれば、機械的強度に優れた構造を有する流速計測素子及びマイクロ流路デバイスが提供される。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るマイクロ流路デバイスを有する流速計測素子を備えた流速計測システムの概略を示す概念図である。図２は、第１実施形態に係るマイクロ流路デバイスを備えた流速計測素子を模式的に示す平面図である。
図１に示される流速計測システム１は、流体ａが流れる主配管３と、主配管３に取り付けられた分岐５，５と、分岐５，５間を接続する配管７と、配管７に接続された流速計測素子１０とを備える。配管７には微量の流体ａが流れる。流速計測素子１０を用いると、配管７を流れる流体ａの流速を計測することができる。
流体ａとしては、例えば水溶液、有機溶媒、酸性溶液、アルカリ性溶液等の液体、酸性ガス、アルカリ性ガス等の気体、気液混合物、又は、粉末が混入した気体若しくは液体等が挙げられる。一実施例において、流体ａはエタノールである。
流速計測素子１０は、流体ａ及び流体ａ中に含まれるトレーサ（又はマーカ）ｂが流れるマイクロ流路９を含む基板２９を有するマイクロ流路デバイス３３と、マイクロ流路デバイス３３に光学的に結合された光源２３と、マイクロ流路デバイス３３に光学的に結合された光検出部２６とを備える。流速計測素子１０は、流体ａ中にトレーサｂを供給するトレーサ供給源３１を更に備えることが好ましい。配管７とマイクロ流路９とは、例えばエポキシ系の紫外線硬化型接着剤で両者を接着固定することによって接続される。ここで、配管７は端面が研磨された石英ガラス管であることが好ましく、マイクロ流路９の端面も研磨されていることが好ましい。
配管７には、流速計測素子１０より下流に配置されたバルブ３７が接続されていることが好ましい。また、配管７には、バルブ３７より下流に配置されトレーサｂを除去するトレーサ除去器３９が接続されることが好ましい。トレーサ除去器３９を用いることにより、流体ａを主配管３に還流させることができる。トレーサ除去器３９としては、例えば、ろ過フィルタ又は磁石等が挙げられる。なお、バルブ３７を閉めることにより、流体ａを回収しないとしてもよい。この場合、配管７を流れる流体ａ及びトレーサｂは廃棄される。
基板２９には、第１の光導波路１５、第２の光導波路１７、第３の光導波路１９及び第４の光導波路２１が設けられている。光導波路１５の一端１５ａは、マイクロ流路９の第１部分１１に光学的に結合されている。光導波路１７の一端１７ａは、第１部分１１より下流に位置するマイクロ流路９の第２部分１３に光学的に結合されている。光導波路１９の一端１９ａは、第１部分１１を介して光導波路１５の一端１５ａに光学的に結合されている。光導波路２１の一端２１ａは、第２部分１３を介して光導波路１７の一端１７ａに光学的に結合されている。
光導波路１５の他端１５ｂ及び光導波路１７の他端１７ｂには、光源２３が光学的に結合されている。本実施形態において、光導波路１５の他端１５ｂと光導波路１７の他端１７ｂとは光学的に結合されている。また、本実施形態では、光導波路１５の他端１５ｂ及び光導波路１７の他端１７ｂと光源２３との間に、基板２９に設けられた光導波路３５が配置されている。したがって、光導波路１５、光導波路１７及び光導波路３５によって、例えばＹ分岐光導波路といった分岐光導波路が構成される。本実施形態では、光源２３は、例えば光ファイバ４１を介して光導波路３５に光学的に結合される。光源２３は、例えば波長１．５５μｍの半導体レーザ（ＬＤ）である。
本実施形態において、光検出部２６は、光導波路１９の他端１９ｂに光学的に結合された第１の光検出器２５と、光導波路２１の他端２１ｂに光学的に結合された第２の光検出器２７とを備える。光検出器２５は、例えば光ファイバ４３を介して光導波路１９の他端１９ｂに光学的に結合される。光検出器２７は、例えば光ファイバ４５を介して光導波路２１の他端２１ｂに光学的に結合される。光検出器２５，２７は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）である。光検出器２５，２７には、光検出器２５，２７からの信号を受けるコンピュータ等の制御装置４７が接続されることが好ましい。
本実施形態に係るマイクロ流路デバイス３３を備えた流速計測素子１０によれば、光源２３から光導波路１５の他端１５ｂに出射された光Ｌ１は、光導波路１５を通って光導波路１５の一端１５ａからマイクロ流路９の第１部分１１に供給される。また、光源２３から光導波路１７の他端１７ｂに出射された光Ｌ１は、光導波路１７を通って光導波路１７の一端１７ａからマイクロ流路９の第２部分１３に供給される。第１部分１１に供給された光Ｌ１は、第１部分１１を通過する。第１部分１１を通過した光Ｌ２は、光導波路１９の一端１９ａに入射する。光導波路１９の他端１９ｂから出射された光Ｌ２は光検出器２５に到達する。第２部分１３に供給された光Ｌ１は、第２部分１３を通過する。第２部分１３を通過した光Ｌ３は、光導波路２１の一端２１ａに入射する。光導波路２１の他端２１ｂから出射された光Ｌ３は光検出器２７に到達する。一方、トレーサｂは、流体ａと共に、第１部分１１を通過した後に第２部分１３を通過する。
光検出器２５に到達する光Ｌ２の光量（強度）は、トレーサｂが第１部分１１を通過することにより変化する。また、光検出器２７に到達する光Ｌ３の光量（強度）は、トレーサｂが第２部分１３を通過することにより変化する。
本実施形態に係るマイクロ流路デバイス３３を備えた流速計測素子１０では、光検出器２５に到達する光Ｌ２の光量が変化する時刻ｔ１と光検出器２７に到達する光Ｌ３の光量が変化する時刻ｔ２との差Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）と、第１部分１１と第２部分１３との間の距離ｄとを用いて、トレーサｂの移動速度を算出することができる。トレーサｂの移動速度とマイクロ流路９を流れる流体ａの流速との関係、及び、マイクロ流路９を流れる流体ａの流速と配管７を流れる流体ａの流速との関係を予め導出しておくことにより、トレーサｂの移動速度から配管７を流れる流体ａの流速を算出することができる。さらに、配管７を流れる流体ａの流速と主配管３を流れる流体ａの流速との関係を予め導出しておくことにより、主配管３を流れる流体ａの流速を算出することができる。
第１部分１１と光検出器２５との間の光路長ｄ１と、第２部分１３と光検出器２７との間の光路長ｄ２とが略同じである場合には、トレーサｂの移動速度はｄ／Δｔとなる。したがって、流体ａの流速を容易に算出することができる。
なお、「略同じ」とは、例えば、ｄ１とｄ２との差が４ｍｍ以下の範囲内であることを意味する。
また、本実施形態では、光検出部２６が光検出器２５及び光検出器２７を備えるので、光導波路１９の他端１９ｂから出射される光Ｌ２と光導波路２１の他端２１ｂから出射される光Ｌ３とを別々に検出できる。したがって、第１部分１１と第２部分１３との間の距離ｄが短い場合であっても、光Ｌ２と光Ｌ３とが互いに干渉しないので、流体ａの流速を高精度に算出することができる。
また、本実施形態では、光導波路１５の他端１５ｂと光導波路１７の他端１７ｂとが光学的に結合しているので、光導波路１５及び光導波路１７に一つの光源２３から光Ｌ１を供給できる。したがって、流速計測素子１０の部品点数を削減することができる。
本実施形態に係るマイクロ流路デバイス３３を備えた流速計測素子１０では上述のように流体ａの流速を計測できるので、マイクロ流路９内に流速を計測するための構造物を設ける必要がない。したがって、マイクロ流路デバイス３３及び流速計測素子１０は、機械的強度に優れた構造を有する。さらに、例えば流体ａの純度が低いことにより流体ａに粒子状の異物が混入していても、本実施形態に係るマイクロ流路デバイス３３を備えた流速計測素子１０は破壊されない。
トレーサｂは石英ガラスから構成される粒子であることが好ましい。トレーサｂは、平均粒径が５〜１０μｍの粒子であることが好ましい。トレーサｂが石英ガラスから構成される粒子である場合、トレーサｂの耐薬品性が向上するので、比較的幅広い種類の流体ａの流速を計測することができる。また、トレーサｂが第１部分１１を通過する時、第１部分１１に供給される光Ｌ１はトレーサｂによって散乱される。このため、光導波路１９の他端１９ｂから出射され光検出器２５に到達する光Ｌ２の光量は低下する。同様に、トレーサｂが第２部分１３を通過する時、第２部分１３に供給される光Ｌ１はトレーサｂによって散乱される。このため、光導波路２１の他端２１ｂから出射され光検出器２７に到達する光Ｌ３の光量は低下する。
また、トレーサｂは色素が添加された石英ガラス球であってもよい。色素としては、例えば、Ｅｒ３＋、Ｎｄ３＋等が挙げられる。Ｅｒ３＋は、波長０．５μｍ、０．６５μｍ、１．５５μｍの光を吸収するので、波長０．５μｍ、０．６５μｍ、１．５５μｍの光源２３を使用する場合に好適に用いられる。Ｎｄ３＋は、波長０．８μｍの光源２３を使用する場合に好適に用いられる。トレーサｂに色素が添加されている場合には、トレーサｂによって光Ｌ１が散乱及び吸収されるので、光検出器２５，２７に到達する光Ｌ２，Ｌ３の光量は更に低下する。よって、色素が添加されていない石英ガラス球に比べて高感度で計測できる。
また、トレーサｂは鉄粉等の金属粒子であってもよい。この場合、トレーサｂによって光Ｌ１が散乱されるので、光検出器２５，２７に到達する光Ｌ２，Ｌ３の光量は低下する。トレーサｂが例えば磁性材料からなる粒子である場合、トレーサ除去器３９として磁石を用いることが好ましい。
また、トレーサｂは例えばポリスチレン等の樹脂から構成される粒子であってもよい。この場合、トレーサｂによって光Ｌ１が散乱されるので、光検出器２５，２７に到達する光Ｌ２，Ｌ３の光量は低下する。トレーサｂが例えばポリスチレン等の樹脂から構成される粒子である場合、粒径が揃ったトレーサｂを準備することができる。
また、トレーサｂは蛍光体であってもよい。この場合、光Ｌ１がトレーサｂに照射されると、トレーサｂから蛍光が放出され、当該蛍光が光Ｌ２，Ｌ３として光導波路１９の一端１９ａ及び光導波路２１の一端２１ａに入射される。このため、光検出器２５，２７に到達する光Ｌ２，Ｌ３の光量は増加する。
基板２９は石英ガラスから構成されることが好ましい。この場合、基板２９の耐薬品性が向上するので、比較的幅広い種類の流体ａの流速を計測することができる。なお、基板２９は、例えばソーダライムガラス等のガラスから構成されるとしてもよい。
図３は、第１実施形態に係るマイクロ流路デバイスを備えた流速計測素子のマイクロ流路及び光導波路を模式的に示す斜視図である。図３に示されるように、マイクロ流路９は、例えば断面が３０μｍ×３０μｍの正方形となる空洞である。マイクロ流路９の径は、５μｍ以上１２０μｍ以下であることが好ましい。なお、「マイクロ流路の径」とは、マイクロ流路の断面積と同じ断面積を有する円の直径を意味する。流体ａは例えば層流となってマイクロ流路９を流れる。マイクロ流路９は、溝が形成された基板上にカバー板を張り合わせることにより好適に形成される。
また、図３に示されるように、光導波路１５、１７，１９，２１，３５は、例えばコアの断面が７．５μｍ×７．５μｍの正方形となる形状を有する。光導波路１５、１７，１９，２１，３５において、コアとクラッドとの比屈折率差Δは例えば０．４５％である。光導波路１５、１７，１９，２１の一端１５ａ，１７ａ，１９ａ，２１ａは、いずれもマイクロ流路９の深さ方向において略中間に配置されることが好ましい。この場合、高感度にトレーサｂを検知することができる。これは、流体ａの流れが層流であると、トレーサｂはマイクロ流路９の深さ方向において中間に位置する確率が高いからである。具体的には、例えば、光導波路１５、１７，１９，２１の端面の重心位置が、マイクロ流路９の下面からの距離及び上面からの距離がいずれもｚ１となるように配置されることが好ましい。一実施例において、ｚ１は１５μｍである。
以下、図４を参照して、流速計測素子１０を用いた流体ａの流速計測方法の具体例について詳細に説明するが、流体ａの流速計測方法はこれらに限定されない。図４(ａ)及び図４(ｂ)は、光源２３が半導体レーザである場合におけるレーザ光の出力値Ｐ、及び、光検出器２５，２７にそれぞれ到達する光Ｌ２，Ｌ３の光量Ｉと、時刻ｔとの関係を模式的に示すグラフである。縦軸は出力値Ｐ及び光量Ｉを示す。横軸は時刻ｔを示す。
図４(ａ)に示される波形Ｓ１は、出力値Ｐの経時変化を示す。波形Ｓ１では、出力値Ｐが時刻ｔにかかわらず一定値Ｐ０である。これは、レーザ光を連続発振（ＣＷ発振）させているからである。
波形Ｕ１は、光検出器２５に到達する光Ｌ２の光量Ｉの経時変化を示す。波形Ｕ２は、光検出器２７に到達する光Ｌ３の光量Ｉの経時変化を示す。トレーサｂを流体ａ中に供給しない時には、光検出器２５，２７にそれぞれ到達する光Ｌ２，Ｌ３の光量Ｉは、いずれも一定値Ｉ０である。
また、波形Ｕ１に示されるように、トレーサｂがマイクロ流路９の第１部分１１に到達する時刻ｔ３から所定時間Δｔ１経過した後の時刻ｔ１において、光検出器２５に到達する光Ｌ２の光量Ｉは一定値Ｉ０から低下する。この所定時間Δｔ１は、光Ｌ２が光路長ｄ１を通過するのに要する時間である。時刻ｔ１としては、例えば波形Ｕ１のピーク等を用いることができる。
同様に、波形Ｕ２に示されるように、トレーサｂがマイクロ流路９の第２部分１３に到達する時刻ｔ４から所定時間Δｔ２経過した後の時刻ｔ２において、光検出器２７に到達する光Ｌ３の光量Ｉは一定値Ｉ０から低下する。この所定時間Δｔ２は、光Ｌ３が光路長ｄ２を通過するのに要する時間である。時刻ｔ２としては、例えば波形Ｕ２のピーク等を用いることができる。
波形Ｕ１，Ｕ２は、例えば別々の画像として制御装置４７の記憶部に記録される。制御装置４７のディスプレイ上では波形Ｕ１，Ｕ２が例えば同時に表示される。制御装置４７では、時刻ｔ１と時刻ｔ２と差Δｔ（＝ｔ２−ｔ１）と、第１部分１１と第２部分１３との間の距離ｄとを用いて、流体ａの流速が算出される。流体ａの流速を計測する前にキャリブレーションを実施すると、計測精度が向上する。
時刻ｔ１，ｔ２は、波形Ｕ１，Ｕ２から、例えば相互相関法を用いて算出されることが好ましい。これにより、流体ａ中にノイズ源又は多数の粒子が存在することによって波形Ｕ１，Ｕ２にノイズが混在している場合においても、時刻ｔ１，ｔ２が算出される。その結果、流体ａの流速は高精度に算出される。
図４(ｂ)に示される波形Ｓ２は、出力値Ｐの経時変化を示す。波形Ｓ２は、パルス幅Δｔｐの連続パルス波形である。波形Ｓ２では、出力値Ｐの最大値がＰ１、最小値がＰ２である。これは、レーザ光をパルス発振させているからである。
パルス幅Δｔｐは、時刻ｔ１，ｔ２がパルス幅Δｔｐ内に位置するように設定されることが好ましい。これにより、波形Ｕ１，Ｕ２に常に混在してしまうノイズを除去することができるので、レーザ光を連続発振させる場合に比べて流体ａの速度を高精度に計測することができる。
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係るマイクロ流路デバイスを備えた流速計測素子を模式的に示す平面図である。図５に示される流速計測素子１０ａは、マイクロ流路９、光導波路１５、光導波路１７、光導波路１９及び光導波路２１を含む基板２９を有するマイクロ流路デバイス３３ａとを備える。流速計測素子１０ａは、トレーサ供給源３１を更に備えることが好ましい。
本実施形態に係るマイクロ流路デバイス３３ａを備えた流速計測素子１０ａでは、光源２３及び光検出部２６が、基板２９に設けられている。このため、光導波路３５と光源２３とを光学的に結合する光ファイバ４１、光導波路１９と光検出器２５とを光学的に結合する光ファイバ４３、及び、光導波路２１と光検出器２７とを光学的に結合する光ファイバ４５が不要になる。よって、光源２３と光導波路３５との光軸合わせ、光検出器２５と光導波路１９との光軸合わせ、及び、光検出器２７と光導波路２１との光軸合わせがいずれも容易になる。したがって、流速計測素子１０ａの機械的強度は更に向上するので壊れ難くなる。また、流速計測素子１０ａを小型化できる。
本実施形態に係るマイクロ流路デバイス３３ａを備えた流速計測素子１０ａを用いると、第１実施形態と同様に流体ａの流速を計測できる。したがって、マイクロ流路デバイス３３ａ及び流速計測素子１０ａは、機械的強度に優れた構造を有する。
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態に係るマイクロ流路デバイスを備えた流速計測素子を模式的に示す平面図である。図６に示される流速計測素子１０ｂは、マイクロ流路９、光導波路１４（第１の光導波路）、光導波路１６（第２の光導波路）、光導波路１９及び光導波路２１を含む基板２９を有するマイクロ流路デバイス３３ｂとを備える。流速計測素子１０ｂは、トレーサ供給源３１を更に備えることが好ましい。
光導波路１４の一端１４ａは、第１部分１１に光学的に結合されている。光導波路１４の他端１４ｂは、光源素子２２に光学的に結合されている。光導波路１６の一端１６ａは、第２部分１３に光学的に結合されている。光導波路１６の他端１６ｂは、光源素子２４に光学的に結合されている。光源素子２２及び光源素子２４は光源２３ｂを構成する。光源素子２２，２４としては、光源２３と同様のものが挙げられる。光導波路１４及び光導波路１６の作製は、光導波路１５及び光導波路１７の作製に比べて容易である。
本実施形態に係るマイクロ流路デバイス３３ｂを備えた流速計測素子１０ｂでは、光源２３ｂ及び光検出部２６が、基板２９に設けられている。よって、光源素子２２と光導波路１４の他端１４ｂとの光軸合わせ、光源素子２４と光導波路１６の他端１６ｂとの光軸合わせ、光検出器２５と光導波路１９との光軸合わせ、及び、光検出器２７と光導波路２１との光軸合わせがいずれも容易になる。
本実施形態に係るマイクロ流路デバイス３３ｂを備えた流速計測素子１０ｂを用いると、第１実施形態と同様に流体ａの流速を計測できる。したがって、マイクロ流路デバイス３３ｂ及び流速計測素子１０ｂは、機械的強度に優れた構造を有する。
（第４実施形態）
図７は、第４実施形態に係るマイクロ流路デバイスを備えた流速計測素子を模式的に示す平面図である。図７に示される流速計測素子１０ｃは、マイクロ流路９、光導波路１４、光導波路１６、光導波路１８（第３の光導波路）、光導波路２０（第４の光導波路）及び光導波路３６を含む基板２９を有するマイクロ流路デバイス３３ｃとを備える。流速計測素子１０ｃは、トレーサ供給源３１を更に備えることが好ましい。
光導波路１８の一端１８ａは、第１部分１１を介して光導波路１４の一端１４ａに光学的に結合されている。光導波路２０の一端２０ａは、第２部分１３を介して光導波路１６の一端１６ａに光学的に結合されている。光導波路１８の他端１８ｂと光導波路２０の他端２０ｂとは光学的に結合されているので、光導波路１８の他端１８ｂ及び光導波路２０の他端２０ｂから出射された光は一つの光検出部２６ｃに到達する。したがって、流速計測素子１０ｃの部品点数を削減することができる。
光導波路１８の他端１８ｂ及び光導波路２０の他端２０ｂは、光導波路３６を介して光検出部２６ｃに光学的に結合されている。したがって、光導波路１８、光導波路２０及び光導波路３６は分岐光導波路を構成している。光検出部２６ｃとしては、光検出器２５又は光検出器２７と同様のものが好適に用いられる。
本実施形態に係るマイクロ流路デバイス３３ｃを備えた流速計測素子１０ｃでは、光源２３ｂ及び光検出部２６ｃが、基板２９に設けられている。よって、光源素子２２と光導波路１４の他端１４ｂとの光軸合わせ、光源素子２４と光導波路１６の他端１６ｂとの光軸合わせ、及び、光検出部２６ｃと光導波路３６との光軸合わせがいずれも容易になる。
本実施形態に係るマイクロ流路デバイス３３ｃを備えた流速計測素子１０ｃを用いると、第１実施形態と同様に流体ａの流速を計測できる。したがって、マイクロ流路デバイス３３ｃ及び流速計測素子１０ｃは、機械的強度に優れた構造を有する。
（第５実施形態）
図８は、第５実施形態に係るマイクロ流路デバイスを備えた流速計測素子を模式的に示す平面図である。図８に示される流速計測素子１０ｃは、マイクロ流路９、光導波路１５、光導波路１７、光導波路１８、光導波路２０及び光導波路３６を含む基板２９を有するマイクロ流路デバイス３３ｄとを備える。流速計測素子１０ｃは、トレーサ供給源３１を更に備えることが好ましい。
本実施形態に係るマイクロ流路デバイス３３ｄを備えた流速計測素子１０ｄでは、光源２３及び光検出部２６ｃが、基板２９に設けられている。よって、光源２３と光導波路３５との光軸合わせ、及び、光検出部２６ｃと光導波路３６との光軸合わせがいずれも容易になる。
本実施形態に係るマイクロ流路デバイス３３ｄを備えた流速計測素子１０ｄを用いると、第１実施形態と同様に流体ａの流速を計測できる。したがって、マイクロ流路デバイス３３ｄ及び流速計測素子１０ｄは、機械的強度に優れた構造を有する。
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されない。
例えば、第２実施形態において、光源２３及び光検出部２６のうち少なくとも一方が基板２９に設けられていないとしてもよい。また、第３実施形態において、光源２３ｂ及び光検出部２６のうち少なくとも一方が基板２９に設けられていないとしてもよい。また、第４実施形態において、光源２３ｂ及び光検出部２６ｃのうち少なくとも一方が基板２９に設けられていないとしてもよい。また、第５実施形態において、光源２３及び光検出部２６ｃのうち少なくとも一方が基板２９に設けられていないとしてもよい。
第１実施形態に係るマイクロ流路デバイスを有する流速計測素子を備えた流速計測システムの概略を示す概念図である。 第１実施形態に係るマイクロ流路デバイスを備えた流速計測素子を模式的に示す平面図である。 第１実施形態に係るマイクロ流路デバイスを備えた流速計測素子のマイクロ流路及び光導波路を模式的に示す斜視図である。 図４(ａ)及び図４(ｂ)は、光源が半導体レーザである場合におけるレーザ光の出力値Ｐ、及び、光検出器に到達する光の光量Ｉと、時刻ｔとの関係を模式的に示すグラフである。 第２実施形態に係るマイクロ流路デバイスを備えた流速計測素子を模式的に示す平面図である。 第３実施形態に係るマイクロ流路デバイスを備えた流速計測素子を模式的に示す平面図である。 第４実施形態に係るマイクロ流路デバイスを備えた流速計測素子を模式的に示す平面図である。 第５実施形態に係るマイクロ流路デバイスを備えた流速計測素子を模式的に示す平面図である。
符号の説明
９…マイクロ流路、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ…流速計測素子、１１…マイクロ流路の第１部分、１３…マイクロ流路の第２部分、１４，１５…第１の光導波路、１４ａ，１５ａ…第１の光導波路の一端、１４ｂ，１５ｂ…第１の光導波路の他端、１６，１７…第２の光導波路、１６ａ，１７ａ…第２の光導波路の一端、１６ｂ，１７ｂ…第２の光導波路の他端、１８，１９…第３の光導波路、１８ａ，１９ａ…第３の光導波路の一端、１８ｂ，１９ｂ…第３の光導波路の他端、２０，２１…第４の光導波路、２０ａ，２１ａ…第４の光導波路の一端、２０ｂ，２１ｂ…第４の光導波路の他端、２３，２３ｂ…光源、２５…第１の光検出器、２６，２６ｃ…光検出部、２７…第２の光検出器、２９…基板、３１…トレーサ供給源、３３，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ…マイクロ流路デバイス、ａ…流体、ｂ…トレーサ。

Claims (8)

  1. 流体及び前記流体中に含まれるトレーサが流れるマイクロ流路と、
    前記マイクロ流路の第１部分に光学的に結合された一端を有する第１の光導波路と、
    前記第１部分より下流に位置する前記マイクロ流路の第２部分に光学的に結合された一端を有する第２の光導波路と、
    前記第１部分を介して前記第１の光導波路の前記一端に光学的に結合された一端を有する第３の光導波路と、
    前記第２部分を介して前記第２の光導波路の前記一端に光学的に結合された一端を有する第４の光導波路と、
    前記第１の光導波路の他端及び前記第２の光導波路の他端に光学的に結合された光源と、
    前記第３の光導波路の他端及び前記第４の光導波路の他端に光学的に結合された光検出部と、
    を備え、
    前記マイクロ流路、前記第１の光導波路、前記第２の光導波路、前記第３の光導波路及び前記第４の光導波路が、基板に設けられている、流速計測素子。
  2. 前記光検出部は、前記第３の光導波路の前記他端に光学的に結合された第１の光検出器と、前記第４の光導波路の前記他端に光学的に結合された第２の光検出器と、を備える、請求項１に記載の流速計測素子。
  3. 前記第１の光導波路の前記他端と前記第２の光導波路の前記他端とは光学的に結合している、請求項１又は２に記載の流速計測素子。
  4. 前記第１部分と前記光検出部との間の光路長と、前記第２部分と前記光検出部との間の光路長とが略同じである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の流速計測素子。
  5. 前記基板が石英ガラスから構成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の流速計測素子。
  6. 前記トレーサが、石英ガラスから構成される粒子である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の流速計測素子。
  7. 前記光源及び前記光検出部が、前記基板に設けられている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の流速計測素子。
  8. 流体の速度を計測する流速計測素子に用いられるマイクロ流路デバイスであって、
    前記流体及び前記流体中に含まれるトレーサが流れるマイクロ流路と、
    前記マイクロ流路の第１部分に光学的に結合された一端を有する第１の光導波路と、
    前記第１部分より下流に位置する前記マイクロ流路の第２部分に光学的に結合された一端を有する第２の光導波路と、
    前記第１部分を介して前記第１の光導波路の前記一端に光学的に結合された一端を有する第３の光導波路と、
    前記第２部分を介して前記第２の光導波路の前記一端に光学的に結合された一端を有する第４の光導波路と、
    を有する基板を備える、マイクロ流路デバイス。
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