JP2005207998A - 流速測定装置、及び流速測定用液体内温度分布発生素子、並びに流速測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体の流速を非接触で正確に測定することができる流速測定装置、及び流速測定用液体内温度分布発生素子、並びに流速測定方法を提供する。
【解決手段】 流速測定装置１００は、変調器１４に接続され且つ流路１１内の液体に励起光を照射する励起光用光源１２と、流路１１の下流側で液体に検出光を照射する検出光用光源１３と、光源１２，１３に接続された液体内温度分布発生素子１ｂと、検出光を受光してその変化を検出する受光部１ｃとを備える。液体内温度分布発生素子１ｂは、液体内における励起光の照射位置と検出光の照射位置との流路１１の長手方向における間隔ｄ’が所定の距離となるように構成されている。流速測定装置１００は、変調器１４の変調開始／終了時刻と検出光の信号強度Ｉ_maxから時間Δｔを算出し、間隔ｄ’と時間Δｔとから流速ｖを算出する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、流速測定装置、及び流速測定用液体内温度分布発生素子、並びに流速測定方法に関し、特に流路内を流れる液体の流速を測定する流速測定装置、及び流速測定用液体内温度分布発生素子、並びに流速測定方法に関する。

マイクロ化学システムは、小さなガラス基板等に形成した微細な流路の中で液中試料の混合、反応、分離、抽出、検出等を行うものである。このマイクロ化学システムで行われる反応の例としては、ジアゾ化反応、ニトロ化反応、抗原抗体反応などがある。また、抽出や分離の例としては、溶媒抽出、電気泳動分離、カラム分離などがある。マイクロ化学システムは、分離だけを目的としたような単一の機能のみで用いられてもよく、また複合的に用いられてもよい。マイクロ化学システム用チップに設けられた流路は、分岐路や合流路、さらには蛇行路のような種々の形状のものを含み、その中を流れる試料溶液の流速が流路の位置によっては一定ではない。

一方、流路内を流れる試料溶液の流速を測定する流速測定装置としては、以下の第１から第４の流速測定装置がある。

第１の流速測定装置は、流路内に収容された歯車、発熱可能な棒、渦を発生させるための障害物等の流速測定治具を備える。第１の流速測定装置は、測定治具が歯車であるときは歯車の回転数に基づいて、発熱可能な棒であるときは棒の表面における放熱の程度に基づいて、渦を発生させる障害物であるときは障害物によって発生した渦の頻度に基づいて、試料溶液の流速を測定する。

第２の流速測定装置は、流路の両側に配された一対の磁気コイルを備え、試料溶液中の磁性物質の流れによる電磁誘導によって磁気コイル内に発生する起電力に基づいて、試料溶液の流速を測定する。

第３の流速測定装置は、流路の上流側と下流側に夫々１組の超音波発生装置及び超音波検出装置を備え、上流側から下流側への超音波の伝播時間と、下流側から上流側への超音波の伝播時間との差に基づいて、試料溶液の流速を測定する。

第４の流速測定装置は、流路中の試料溶液に微粒子を注入する微粒子注入装置と、試料溶液に挿入された微粒子を観察すべく流路の２つの観察位置に配されたＣＣＤとを備え、２つの観察位置間における微粒子の通過時間に基づいて、試料溶液の流速を測定する。この微粒子としては、試料溶液中の溶媒に溶解せず、試料溶液中の試料の密度よりも密度が小さく、蛍光を発するものが用いられる。

なお、上記先行技術はいずれも文献公知発明に係るものではなく、当業者であれば十分に周知の技術である。

しかしながら、上記第１の流速測定装置では、試料溶液中に測定治具が挿入されるので、試料溶液の流れ（層流）が乱れたり、例えば、分岐路の場合は、流量の偏りが発生して微量の試料の分析が困難である。

上記第２の流速測定装置は、試料溶液中の試料が微量であるので、磁気コイル内に発生する起電力が小さく、試料溶液の流速を正確に測定することができない。

上記第３の流速測定装置では、試料溶液の流量が少なく、しかも試料溶液が微量なので、超音波の伝播時間の差がほとんどなく、溶存した溶質を含む試料溶液の流速を正確に測定することができない。

上記第４の流速測定装置では、試料溶液に微粒子が注入されるので、夫々、試料溶液の流れ（層流）が乱れて微量の試料の分析が困難であり、ＣＣＤの配置位置が２箇所になるので装置が大型化する。

本発明の第１の目的は、液体の流速を非接触で正確に測定することができる流速測定装置、及び流速測定用液体内温度分布発生素子、並びに流速測定方法を提供することにある。

本発明の第２の目的は、その感度を向上させることができる流速測定装置、及び流速測定用液体内温度分布発生素子、並びに流速測定方法を提供することにある。

上記第１及び第２の目的を達成するために、請求項１記載の流速測定装置は、流路内を流れる液体へ前記流路の上流側において励起光を照射する励起光照射手段と、前記流路内を流れる液体へ前記流路の下流側において検出光を照射する検出光照射手段と、前記流路内を流れる液体を透過した検出光の変化量を検出する検出手段と、前記液体内における励起光の照射位置及び前記検出光の照射位置の前記流路の長手方向における間隔と前記検出された検出光の変化とに基づいて前記流路内を流れる液体の流速を算出する流速算出手段とを備えることを特徴とする。

請求項２記載の流速測定装置は、請求項１記載の流速測定装置において、前記流速算出手段は、前記励起光照射の開始／終了時刻と前記検出光の変化とから前記液体が前記間隔を流れるのに要した時間を算出する時間算出手段を含むことを特徴とする。

請求項３記載の流速測定装置は、請求項２記載の流速測定装置において、前記検出光の変化は当該検出光の信号強度の変化であり、前記時間算出手段は、前記検出光の信号強度の最大値又は／及び最小値に基づいて前記時間を算出することを特徴とする。

請求項４記載の流速測定装置は、請求項２記載の流速測定装置において、前記検出光の信号強度の変化は当該検出光の光路が前記液体内の温度分布に起因してずれたときの光路ずれであり、前記時間算出手段は、前記検出光の光路ずれの最大値に基づいて前記時間を算出することを特徴とする。

請求項５記載の流速測定装置は、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の流速測定装置において、前記時間算出手段は、前記検出光の光路がずれる速度の最大値に基づいて前記時間を算出することを特徴とする。

請求項６記載の流速測定装置は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流速測定装置において、前記励起光照射手段は前記励起光を導波する第１の半径の少なくとも１本の光ファイバーを備え、前記検出光照射手段は前記検出光を導波する第２の半径の少なくとも１本の光ファイバーを備え、前記間隔は前記第１の半径と前記第２の半径の和以下であることを特徴とする。

請求項７記載の流速測定装置は、請求項６記載の流速測定装置において、前記第１の半径と第２の半径の和は１２５μｍであることを特徴とする。

請求項８記載の流速測定装置は、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の流速測定装置において、前記間隔は１００μｍ以下であることを特徴とする。

上記第１及び第２の目的を達成するために、請求項９記載の流速測定装置は、流路内を流れる液体へ前記流路の上流側において励起光を照射する励起光照射手段と、前記流路内を流れる液体へ前記流路の下流側において検出光を照射する検出光照射手段と、前記流路内を流れる液体を透過した検出光の変化量を検出する検出手段と、前記検出された検出光の信号強度の最大値又は最小値に基づいて前記流路内を流れる液体の流速を算出する流速算出手段とを備えることを特徴とする。

請求項１０記載の流速測定装置は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の流速測定装置において、前記励起光を変調する変調器を備えることを特徴とする。

請求項１１記載の流速測定装置は、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の流速測定装置において、前記照射された励起光を前記液体に集光照射する集光レンズを備えることを特徴とする。

請求項１２記載の流速測定装置は、請求項１１記載の流速測定装置において、前記集光レンズは色収差を有することを特徴とする。

請求項１３記載の流速測定装置は、請求項１１又は１２記載の流速測定装置において、前記集光レンズはロッドレンズから成ることを特徴とする。

請求項１４記載の流速測定装置は、請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の流速測定装置において、前記集光レンズは前記照射された検出光を前記液体に集光照射することを特徴とする。

請求項１５記載の流速測定装置は、請求項１４記載の流速測定装置において、前記励起光の焦点は前記液体の深さ方向に関する略中央に位置し、前記検出光の焦点は、前記液体の深さ方向に関して前記励起光の焦点の位置からずれていることを特徴とする。

請求項１６記載の流速測定装置は、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の流速測定装置において、前記検出手段は位置センサーから成ることを特徴とする。

請求項１７記載の流速測定装置は、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の流速測定装置において、前記検出手段は、ピンホールと、当該ピンホールに対して前記検出光の進行方向の位置に設けられた光センサーとから成ることを特徴とする。

上記第２の目的を達成するために、請求項１８記載の液体内温度分布発生素子は、流路内を流れる液体へ励起光を照射することにより当該液体内に温度分布を形成して前記流路内を流れる液体の流速を測定するために用いられる液体内温度分布発生素子において、前記流路内を流れる液体へ前記流路の上流側において前記励起光を導波する励起光導波手段と、前記流路内を流れる液体へ前記流路の下流側において検出光を導波する検出光導波手段とを備えることを特徴とする。

請求項１９記載の液体内温度分布発生素子は、請求項１８記載の液体内温度分布発生素子において、前記励起光導波手段は、前記励起光を導波する第１の半径の少なくとも１本の光ファイバーを備え、前記検出光導波手段は、前記検出光を導波する第２の半径の少なくとも１本の光ファイバーを備え、前記液体内における前記励起光の導波位置及び前記検出光の導波位置の前記流路の長手方向における間隔は、前記第１の半径と前記第２の半径の和以下であることを特徴とする。

請求項２０記載の液体内温度分布発生素子は、請求項１８又は１９記載の液体内温度分布発生素子において、前記励起光及び検出光のそれぞれ少なくとも１本の光ファイバーは、それらの導波方向の下流側にある端部が同一平面上にあることを特徴とする。

請求項２１記載の液体内温度分布発生素子は、請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載の液体内温度分布発生素子において、前記第１の半径と第２の半径の和は１２５μｍであることを特徴とする。

請求項２２記載の液体内温度分布発生素子は、請求項１８乃至２１のいずれか１項に記載の液体内温度分布発生素子において、前前記間隔は１００μｍ以下であることを特徴とする。

請求項２３記載の液体内温度分布発生素子は、請求項１８乃至２２のいずれか１項に記載の液体内温度分布発生素子において、前記導波された励起光を前記液体に集光照射する集光レンズを備えることを特徴とする。

請求項２４記載の液体内温度分布発生素子は、請求項２３記載の液体内温度分布発生素子において、前記集光レンズは色収差を有することを特徴とする。

請求項２５記載の液体内温度分布発生素子は、請求項２３又は２４記載の液体内温度分布発生素子において、前記集光レンズはロッドレンズから成ることを特徴とする。

請求項２６記載の液体内温度分布発生素子は、請求項２３乃至２５のいずれか１項に記載の液体内温度分布発生素子において、前記集光レンズは前記導波された検出光を前記液体に集光照射することを特徴とする。

請求項２７記載の液体内温度分布発生素子は、請求項２６記載の液体内温度分布発生素子において、前記励起光の焦点は前記液体の深さ方向に関する略中央に位置し、前記検出光の焦点は、前記液体の深さ方向に関して前記励起光の焦点の位置からずれていることを特徴とする。

上記第１及び第２の目的を達成するために、請求項２８記載の流速測定方法は、流路内を流れる液体へ前記流路の上流側において励起光を照射する励起光照射ステップと、前記流路内を流れる液体へ前記流路の下流側において検出光を照射する検出光照射ステップと、前記流路内を流れる液体を透過した検出光の変化を検出する検出ステップと、前記液体内における励起光の照射位置及び前記検出光の照射位置の前記流路の長手方向における間隔と前記検出された検出光の変化とに基づいて前記流路内を流れる液体の流速を算出する流速算出ステップとを有することを特徴とする。

請求項１記載の流速測定装置、請求項１８記載の流速測定用液体内温度分布発生素子、又は請求項２８記載の流速測定方法によれば、流路内を流れる液体へ流路の上流側において励起光を照射し、流路内を流れる液体へ流路の下流側において検出光を照射し、流路内を流れる液体を透過した検出光の変化を検出し、液体内における励起光の照射位置及び検出光の照射位置の流路の長手方向における間隔と検出された検出光の変化とに基づいて流路内を流れる液体の流速を算出するので、液体の流速を非接触で正確に測定することができる。

請求項２記載の流速測定装置によれば、励起光照射の開始／終了時刻と検出光の変化とから液体が間隔を流れるのに要した時間を算出するので、時間と間隔とから容易に液体の流速を算出することができる。

請求項３記載の流速測定装置によれば、検出光の信号強度差の最大値又は／及び最小値に基づいて時間を算出するので、時間と間隔とからより容易に液体の流速を算出することができる。

請求項４記載の流速測定装置によれば、検出光の光路ずれの最大値に基づいて時間を算出するので、時間と間隔とからより容易に液体の流速を算出することができる。

請求項６記載の流速測定装置、又は請求項１９記載の液体内温度分布発生素子によれば、間隔が、励起光を導波する少なくとも１本の光ファイバーの第１の半径と、検出光を導波する少なくとも１本の光ファイバーの第２の半径との和以下であるので、間隔を小さくすることができ、流速測定装置の感度を向上させることができる。

請求項７記載の流速測定装置、又は請求項２１記載の液体内温度分布発生素子によれば、和が１２５μｍであるので、光ファイバーの間隔を小さくすることができ、流速測定装置の感度を向上させることができる。

請求項８記載の流速測定装置、又は請求項２２記載の液体内温度分布発生素子によれば、間隔が１００μｍ以下であるので、間隔をより小さくすることができ、流速測定装置の感度をより向上させることができる。

請求項９記載の流速測定装置によれば、流路内を流れる液体へ流路の上流側において励起光を照射し、流路内を流れる液体へ流路の下流側において検出光を照射し、流路内を流れる液体を透過した検出光の変化を検出し、検出された検出光の信号強度の最大値又は最小値に基づいて流路内を流れる液体の流速を算出するので、液体の流速を非接触で正確に測定することができる。

請求項１０記載の流速測定装置によれば、励起光を変調するので、変調開始／終了時刻を流速測定の基準時刻とすることができ、もって、液体の流速をより正確に測定することができる。

請求項１１記載の流速測定装置、又は請求項２２記載の液体内温度分布発生素子によれば、照射された励起光を液体に集光照射する集光レンズを備えるので、確実に液体に温度分布、即ち熱レンズを形成することができ、流速測定装置の感度をより向上させることができる。

請求項１２記載の流速測定装置、又は請求項２４記載の液体内温度分布発生素子によれば、集光レンズが色収差を有するので、励起光の照射と検出光の照射とを同一の集光レンズで行った場合に焦点距離を違えることができ、もって流速測定装置の感度をより向上させることができる。

請求項１３記載の流速測定装置、又は請求項２５記載の液体内温度分布発生素子によれば、集光レンズがロッドレンズから成るので、集光レンズの上面に励起光を導波するファイバーを容易に調心することができると共に、集光レンズの底面を流路と容易に対面させることができ、もって、流速測定装置の組み立てを容易にすることができる。

請求項１４記載の流速測定装置、又は請求項２６記載の液体内温度分布発生素子によれば、単一の集光レンズが照射された励起光に加えて照射された検出光を液体に集光照射するので、流速測定装置を小型化することができると共に、間隔を短くすることができ、測定装置の感度をさらに向上させることができる。

請求項１５記載の流速測定装置、又は請求項２７記載の液体内温度分布発生素子によれば、励起光の焦点が液体の深さ方向に関する略中央に位置するので、より確実に液体に温度分布、即ち熱レンズを形成することができ、検出光の焦点が液体の深さ方向に関して励起光の焦点の位置からずれているので、検出光の焦点が流路を流れる熱レンズに位置することを確実に防止して、流速測定装置の感度をより向上させることができる。

請求項１６記載の流速測定装置によれば、位置センサにより検出光の変化を検出するので、流速測定装置の感度をより向上させることができる。

請求項１７記載の流速測定装置によれば、ピンホール及び当該ピンホールの先に設けられた光センサーにより、検出光の変化を検出するので、流速測定装置を小型化させることができると共に、測定装置の感度を向上させることができる。

請求項２０記載の液体内温度分布発生素子によれば、励起光及び検出光のそれぞれ少なくとも１本の光ファイバーがそれらの導波方向の下流側にある端部が同一平面上にあるので、光ファイバーの双方の設置を簡単にすることができると共に、双方を接触させた状態で集光レンズに調心することを容易にすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る流速測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。

図１において、本発明の実施の形態に係る流速測定装置１００は、後述する流路付き板状部材１０内に形成された流路１１中の試料溶液などの液体に励起光及び検出光を出射する出射部１ａと、１ａにコネクタ（不図示）を介して接続されたファイバー付きレンズである熱レンズ発生素子としての液体内温度分布発生素子１ｂと、流路付き板状部材１０を通過した検出光を受光する受光部１ｃとから成る。この流速測定装置１００は、光熱変換分光分析法を利用して流路付き板状部材１０の流路１１内の微量な液体の流速ｖを測定する。なお、試料溶液とは、溶媒に試料（溶質）が溶解されているものをいい、溶質は液体であっても、固体であってもよい。

出射部１ａは、励起光を出力する励起光用光源１２と、一端が励起光用光源１２と接続され且つ他端が液体内温度分布発生素子１ｂと接続するためのコネクタ（不図示）が接続された光ファイバー１５と、検出光を出力する検出光用光源１３と、一端が検出光用光源１３と接続され且つ他端が液体内温度分布発生素子１ｂと接続するためのコネクタ（不図示）が接続された光ファイバー１６と、励起光用光源１２が出力する励起光を変調する変調器１４とから成る。

励起光用光源１２は、電源がオンであるときに、例えば、出力５ｍＷ、波長６５０ｎｍの励起光を出射する。

以下、本発明の液体内温度分布発生素子１ｂの構成を説明する。

図２は、図１の液体内温度分布発生素子１ｂ及び受光部１ｃの構成を示す断面図である。

図２において、液体内温度分布発生素子１ｂは、光ファイバー１５とコネクタ２０３を介して接続する光ファイバー１５’（励起光導波手段）と、光ファイバー１６とコネクタ２０４を介して接続する光ファイバー１６’（検出光導波手段）と、円筒形の集光レンズであるロッドレンズ１７と、ロッドレンズ１７を内嵌するチューブ２０１と、チューブ２０１に内嵌され、且つロッドレンズ１７と対面するように光ファイバー１５’，１６’をチューブ２０１に固定するためのフェルール２０２と、液体内温度分布発生素子１ｂを流路１１と対面するように調整可能に保持するための冶具２０５とから成る。

図２において、液体内温度分布発生素子１ｂは、コネクタ２０３，２０４を使用せず直接光ファイバーを介して光源１２，１３と接続されていてもよい。

光ファイバー１５，１５’，１６，１６’は、それぞれ、直径が１２５μｍであり、対応する励起光又は検出光をシングルモードでロッドレンズ１７に導波する。これにより、励起光及び検出光に対して導波モードの不安定さをマルチモードよりもなくすことができるだけでなく、励起光に対しては、その焦点の大きさを小さくして、液体に熱を局所的に供給することができ、もって液体内に温度分布を確実に形成することができる。

ロッドレンズ１７は、例えば、中心から周辺に向かって屈折率が連続的に変化する集光レンズ、屈折率分布型セルフォックマイクロレンズから成る。ロッドレンズ１７が屈折率分布型であるので、光ファイバー１５’，１６’のそれぞれに対応する集光レンズを１つの集光レンズで共有することができ、もって、光ファイバー１５’，１６’に対応する別々の集光レンズを使用する必要をなくし、且つ光ファイバー１５’，１６’を近接させることができる。また、ロッドレンズ１７が円柱状であるので、その上面に光ファイバー１５’，１６’を容易に対面させることができると共に、その底面に流路１１を容易に対面させることができ、もって光ファイバー１５，１５’，１６，１６’及びロッドレンズ１７の取り付けの作業効率を向上させることができる。後述するように、この構成により、液体内温度分布発生素子１ｂの光軸を容易に調整することができる。

以下、フェルール２０２による光ファイバー１５’，１６’の固定を説明する。

図３は、図２における線III−IIIに沿う断面図である。なお、図３において、各部のハッチングを省略する。

図３に示すように、光ファイバー１５’，１６’は、フェルール２０２の断面円形の孔２０２’を介してチューブ２０１に固定されている。フェルール２０２を用いるので、光ファイバー１５’，１６’の間隔ｄ（光ファイバー出射端間の距離）を容易に変更することができ、もって、液体内における励起光の照射位置と検出光の照射位置との流路１１の長手方向における間隔ｄ’を容易に変更することができる。間隔ｄの値は小さい方が好ましく、光ファイバー１５’，１６’の間隔の変更可能な範囲は双方の直径が１２５μｍであるので、光ファイバー出射端間の距離の最小値を１２５μｍとすることができる（図４参照）。光ファイバー１５’，１６’は互いに近接している方が好ましい。例えば、図４に示すように、まず、光ファイバー１５’，１６’を互いに接触させた上で断面正方形の孔２０２’に固定し、次に、光ファイバー１５’，１６’が固定されているフェルール２０２を介してチューブ２０１に固定してもよい。円柱のフェルール２０２にあいている孔２０２’は、円形又は正方形であるとしたが、長方形や楕円形であってもよい。

液体内温度分布発生素子１ｂによれば、光ファイバー１５’，１６’とロッドレンズ１７とが一体型であるので、小型化されており、流速測定装置１００を非常に簡略化することができ、組み立てやすくすることができる。また、コネクタ２０３，２０４を備えるので、測定毎に光源１２，１３を切り替えることを容易にすることができる。

このように出射部１ａ及び液体内温度分布発生素子１ｂを構成することにより、励起光と検出光とを別々に流路付き板状部材１０の流路１１に照射でき、且つ、励起光の焦点を流路１１中に位置させてそこに直径数μｍの熱レンズを形成することができる。また、光ファイバー１５’，１６’とロッドレンズ１７とが一体型であるので、図２に示すように、液体内における励起光の照射位置と検出光の照射位置との流路１１の長手方向における間隔ｄ’を確実に所定値にすることができる。上記間隔ｄ’の値は、小さい値、例えば０．１ｍｍ以下であることが好ましい。この理由は、詳細は後述するが、流速測定装置１００は、励起光により発生させた熱レンズが液体の流速ｖで流されてきたときの検出光の変化を測定するからである。なお、間隔ｄ’の値が大きいと、検出光照射位置において熱レンズが拡散しすぎて検出光の変化が小さくなるので、流速測定装置１００の感度が低下する。

次に、液体内温度分布発生素子１ｂの焦点位置について図２を用いて説明する。

励起光の焦点位置は、液体の熱の発生が最も大きくなるように、好ましくは流路１１、より好ましくは液体の深さ方向、即ち鉛直方向に関する略中央に位置する。一方、検出光の焦点位置は、液体の深さ方向に関して励起光の焦点位置から上下にずれていることが好ましい。即ち、ロッドレンズ１７の下面から焦点位置までの距離を示すワーキングディスタンス（working distance；以下、「ＷＤ」という）が検出光と励起光とで互いにずれていることが好ましい。ロッドレンズ１７が色収差を有するので、励起光よりも通常波長の長い検出光の屈折を小さくすることができ、もって、光ファイバー１５’，１６’のロッドレンズ１７と対面する端面が互いに同一平面上にあるように配置しても容易に検出光のＷＤと励起光のＷＤとを互いにずらすことができ、結果、流速測定装置１００の感度を向上させることができる。なお、光ファイバー１５’，１６’のロッドレンズ１７と対面する端面を鉛直方向に互いに異なる高さになるように配置することにより、検出光のＷＤと励起光のＷＤとを互いにずらしてもよい。

なお、検出光の焦点位置が上記深さ方向に関して励起光の焦点位置とほぼ同一平面上にある場合、検出光の焦点及びその近傍の液体が後述する検出光照射領域Ｂを形成することになるため、後述する検出光の光路ずれを効果的に得ることができない。

流路付き板状部材１０は、３層に順に接着された３つの基板から成り、内部に形成される流路１１は、試料溶液の混合、攪拌、合成、分離、抽出、検出等に用いられる。

受光部１ｃは、流路付き板状部材１０の流路１１を通過した励起光及び検出光を受光すると共に、受光した励起光を反射又は吸収し且つ受光した検出光を選択的に濾波する波長フィルター２０と、濾波された検出光を検出する位置センサー２１と、位置センサー２１に接続され、位置センサー２１からの検出信号を受信するロックインアンプ２２と、この信号を解析するコンピューター２３とから成る。位置センサー２１は直接コンピューター２３につないでもよい。また、コンピューター２３は、変調器１４に接続されている。

変調器１４は、励起光用光源１２のオン／オフを周期的に、例えば、オンから再度オンになるまでの時間である１周期の時間が１ｍｓｅｃとなるように、即ちオン／オフの周波数の値が１ｋＨｚとなるように変調することにより、励起光を周期的にオン／オフする（図６参照）。この変調周波数の値は、変調器１４により直接に、又はコンピューター２３を介して設定することにより間接的に変更することが可能である。

ロックインアンプ２２は、変調器２４により、所定のタイミングが入力され、そのタイミングに同期する後述する検出信号の信号強度Ｉの値をコンピューター２３に入力する。

コンピューター２３は、プログラムにしたがって、例えば周波数１ｋＨｚ（周期１０００ｓｅｃ^-1（秒^-1），１周期＝１ｍｓｅｃ）で変調器１４を制御する。また、コンピューター２３は、変調器１４の周期と同期させながら、信号強度Ｉ、時間Δｔなどの値を測定値としてデータ化して、これら２つの測定値Ｉ，Δｔから液体の流速ｖを計算する。

以下、図１の流速測定装置１００の作動を説明する。

図１において、励起光用光源１２から出射された励起光と検出光用光源１３から出射された検出光は、対応する光ファイバー１５，１５’，１６，１６’によって導波される。導波される励起光は、変調器１４により周期的に変調されている。光ファイバー１５’から出射された励起光は、ロッドレンズ１７によって流路１１内に集光照射される。図２に示すように集光照射された励起光の焦点位置を中心として熱レンズが形成される。一方、光ファイバー１６’から出射された検出光は、ロッドレンズ１７によって図２に示す検出光照射領域Ｂ、即ち液体内において励起光の照射位置から所定の距離である間隔ｄ’だけ液体の流れ方向Ａに向かって離れた検出光の照射位置に集光照射されている。

なお、励起光の焦点位置を流路１１の外部となるようにしてもよい。これにより、流路１１内の励起光が照射される液体全体に熱レンズ又は温度分布を形成することができる。

流路１１内に形成された熱レンズは、図２の矢印Ａに示す方向の液体の流れに伴って励起光の照射位置から間隔ｄ’だけ液体の流れ方向Ａに向かって移動した結果、検出光照射領域Ｂに到達することになる。この検出光照射領域Ｂでは、熱レンズの形状が維持されていなくても、励起光からの熱により液体内に温度分布が形成されていればよい。温度分布の存在により、液体には屈折率の分布が発生し、液体は検出光に対してレンズ効果を発揮する。レンズ効果により、検出光は図２の一点鎖線で示す光路から実線で示す光路に、即ち矢印Ｃ方向へと屈折する（光路ずれ）。このような検出光の屈折の程度は、液体の温度の変化、即ち屈折率の変化が急であるほど大きい。

また、励起光の出射がオンされた場合と同様に、励起光の出射がオフされた場合にも、液体の温度の変化、即ち屈折率の変化が急になるので、検出光に対してレンズ効果が発揮され、これにより、検出光は、矢印Ｃ方向とは逆方向へと屈折する。

このようにレンズ効果の影響を受ける検出光は、位置センサー２１によって検出信号として検出され、コンピューター２３は、この検出信号に基づいて液体の流速測定を行う。

図５は、図１の流速測定装置１００によって実行される流速測定処理のフローチャートである。本処理は、図１のマイクロ化学システムのコンピューター２３によって実行される。

図５において、まず、液体内における励起光の照射位置と検出光照射位置との流路１１の長手方向における間隔ｄ’（図２）の値をコンピューター２３に入力することにより、検出光照射領域Ｂを設定する（ステップＳ１）。次に、変調器１４を介して励起光用光源１２を周期的にオン／オフを繰り返す変調を行うことにより励起光を液体に照射／非照射を繰り返す（励起光照射手段）と共に、検出光用光源１３（検出光照射手段）からの検出光を位置センサー２１により検出信号として検出する（検出手段）（ステップＳ２）。そして、位置センサー２１によって検出された検出信号の信号強度Ｉの最大値Ｉ_maxを特定する（ステップＳ３）と共に、特定された信号強度Ｉ_maxの時刻と、変調器１４による励起光の変調周期に基づく時刻とから時間Δｔを算出する（ステップＳ４）。そして、液体内における励起光の照射位置と検出光照射位置との流路１１の長手方向における間隔ｄ’の値と、算出された時間Δｔの値とから液体の流速ｖの値を計算する（流速算出手段）（ステップＳ５）。そして、本処理を終了する。

以下、図５のステップＳ２〜Ｓ４の処理を具体的に説明する。

図６は、図５におけるステップＳ２〜Ｓ４の処理における、励起光の変調と、信号強度Ｉとの関係を示すタイミングチャートである。なお、図６において、例えば、励起光用光源１２の変調周波数の値は１ｋＨｚ、デューティー比は５０：５０である。

図６は、図１の励起光用光源１２から出射される励起光と、位置センサー２１上で検出光が照射される位置によって検出される検出信号との関係を示すタイミングチャートである。

図６においては、図５における検出光の光路ずれが、熱分布（温度分布）のない時から右にずれたときをプラス、左にずれたときをマイナスとして表している。

上述したように、ロックインアンプ２２に入力された位置センサー２１によって検出される検出信号の信号強度Ｉは、励起光が液体に吸収されることにより形成された熱レンズの光屈折力に応じて変化すると共に、変調器１４による励起光用光源１２に対する変調の周波数の値１ｋＨｚの逆数である周期１０００ｓｅｃ^-1（秒^-1）に同期して変化する。

図６に示すように、まず、時刻ｔ₁よりも前、即ち励起光がオフであるときは、熱レンズが形成されないので、検出光照射領域Ｂには液体の温度変化がなく、検出光は図２の一点鎖線のように進行する。

次に、時刻ｔ₁において励起光がオンになると、励起光の焦点位置では液体に励起光の熱が供給され熱レンズが形成される。時刻ｔ₁から時刻ｔ₂の間では、形成された熱レンズは拡散しながら液体の流速ｖにしたがって液体の流れる方向Ａへ移動し、検出光照射領域Ｂに到達する。検出光照射領域Ｂでは、液体の温度上昇の拡大に基づく屈折率の変化に応じて検出光が図２の矢印Ｃの方向へ屈折する、即ち検出光の光路が右方向へ曲がると共に、この屈折した検出光は、位置センサー２１によって図６の上側の検出信号として検出される。

時刻ｔ₂は、拡散しながら移動した熱レンズが検出光照射領域Ｂに完全に到達した時刻であり、このとき位置センサー２１によって検出される検出信号の信号強度Ｉが最大値Ｉ_maxとなる。コンピューター２３は、励起光オンの時刻ｔ₁から信号強度Ｉが最大値Ｉ_maxとなる時刻ｔ₂までの時間を時間Δｔとしてこれを記録する。その後は、励起光がオンであっても、液体に供給される励起光の熱が定常的に発生していることから液体の温度分布には変化がなく、もって信号強度Ｉの値は一定となる。

変調器１４による変調の周期にしたがって励起光がオフになると、励起光の照射位置における熱レンズの形成が停止する。熱レンズの形成停止後には、液体の温度上昇が解消する方向に大きく変化するので、検出光照射領域Ｂでは、液体の温度分布に基づく屈折率の変化に応じて検出光が図２の矢印Ｃの方向とは逆方向へ屈折する、即ち検出光の光路が左方向へ曲がると共に、この屈折した検出光は、位置センサー２１によって図６の下側の検出信号として検出される。

また、コンピューター２３は、励起光オフの時刻から信号強度Ｉが最小値Ｉ_minとなる時刻までの時間を時間Δｔ’としてこれを記録する。

なお、液体の流速ｖが一定である場合、液体の温度上昇の拡大と解消とは、互いに反対のプロセスを辿るだけであるから、周期的に検出される信号強度Ｉ_minの値及び算出される時間Δｔ’の値は、夫々、上記信号強度Ｉ_maxの値及び時間Δｔの値とほぼ一致する。

図５の処理によれば、位置センサー２１が励起光がオン及び／又はオフになった後の信号強度Ｉの最大値Ｉ_max又は最小値Ｉ_minを検出し、それまでの時間をコンピューター２３が時間Δｔ又は時間Δｔ’として記録するので、コンピューター２３は、時間Δｔの値と、液体内温度分布発生素子１ｂに固有の値である、液体内における励起光の照射位置及び検出光の照射位置間の流路１１の長手方向における距離である間隔ｄ’の値とから液体の流速ｖを計算するので、液体の流速ｖを非接触で正確に測定することができる。

図５の処理の変形例としては、信号強度Ｉ_maxの値自身から液体の流速ｖを測定してもよい。この場合、時間Δｔは使用しない。

また、時間Δｔを、信号強度の最大値Ｉ_max又は最小値Ｉ_minからではなく、信号強度が変化し始めた瞬間をもとに算出してもよい。

また、図５の処理では、図６の光路ずれの信号値の微分に相当する、検出光の光路ずれの速度の最大値に基づいて時間Δｔや時間Δｔ’を算出してもよい。

なお、上記ステップＳ１の処理は、コンピューター２３に間隔ｄの値をデフォルトとして設定することにより、図５の流速測定処理をより簡略化してもよい。

また、本実施の形態に係る流速測定装置１００は、位置センサー２１を備えるとしたが、位置センサー２１は、微小な検出点をアレイ状に設けられているので感度は優れているが流速測定装置１００が大型化するというデメリットがある。したがって、位置センサー２１に代えて光センサーとして、例えばピンホール及び当該ピンホールに対して検出光の進行方向の位置に設けられたフォトダイオード（photo diode）を１組以上用いてもよい。ピンホール及びフォトダイオードは、検出光の光路がずれるべき経路上に配置される。ピンホール及びフォトダイオードを用いた場合、図６のタイミングチャートの下半分の部分に対応する図７に示すように、検出光の光路ずれの方向に関する情報が得られないだけであって、信号強度差ΔＩ_max，Δｔの値から図６のタイミングチャートと同様の結果を得ることができる。これにより、流速測定装置１００を非常に小型化することができる。なお、ピンホール及びフォトダイオードを通常の検出光の光路上に配置してもよい。

また、本実施の形態に係る流速測定装置１００は、励起光用に１組の光ファイバー１５，１５’、且つ検出光用に１組の光ファイバー１６，１６’を備えるとしたが、これらは複数組の光ファイバーであってもよい。特に、検出光用の光ファイバーを流路１１の長手方向に沿って複数組設置することによって、液体の流速ｖの測定をより高精度で行うことができる。また、励起光用及び／又は検出光用の光ファイバーを流路１１の長さ方向と垂直な幅方向に沿って複数組設置することによって、又は、励起光用及び／若しくは検出光用の光ファイバーを流路１１の幅方向に走査させることによって、液体の流速ｖの分布を流路１１の幅方向に関して測定することができる。

上記実施の形態では、変調器１４による励起光の変調の周波数の値が１ｋＨｚ、デューティー比が５０：５０であるとしたが、これらの値に限られることはない。

また、本実施の形態に係る流速測定装置１００は、図５の流速測定処理を実行するとしたが、これに限られることはなく、変調器１４による励起光の変調の周波数の値及び／又はデューティー比を変更することによって得られた検出光の信号強度差及び／又は位相の遅れ信号に基づいて、流速測定処理、さらには濃度測定処理を実行してもよい。

本発明の実施の形態に係る流速測定装置及び流速測定用液体内温度分布発生素子は、マイクロ化学システム、液体用の流速測定装置、液体用の流速分布測定装置、他の光学的な分析装置などに適用することができる。

本発明の実施の形態に係る流速測定装置の構成を概略的に示すブロック図である。 図１の液体内温度分布発生素子１ｂ及び受光部１ｃの構成を示す断面図である。 図２における線III−IIIに沿う断面図である。 図２のフェルール２０２によって光ファイバー１５’，１６’を固定する方法の他の例を図３に対応させて説明するために用いられる断面図である。 図１の流速測定装置１００によって実行される流速測定処理のフローチャートである。 図１の励起光用光源１２から出射される励起光と、位置センサー２１上で検出光が照射される位置によって検出される検出信号との関係を示すタイミングチャートである。 図１の位置センサー２１の代わりにフォトダイオードを用いた場合における図６のタイミングチャートの下半分の部分に対応する図である。

符号の説明

１ｂ 液体内温度分布発生素子
１１ 流路
１２ 励起光用光源
１３ 検出光用光源
１４ 変調器
１５，１５’，１６，１６’ 光ファイバー
１７ ロッドレンズ
２３ コンピューター
１００ 流速測定装置

Claims (28)

1. 流路内を流れる液体へ前記流路の上流側において励起光を照射する励起光照射手段と、前記流路内を流れる液体へ前記流路の下流側において検出光を照射する検出光照射手段と、前記流路内を流れる液体を透過した検出光の変化量を検出する検出手段と、前記液体内における励起光の照射位置及び前記検出光の照射位置の間隔と前記検出された検出光の変化とに基づいて前記流路内を流れる液体の流速を算出する流速算出手段とを備えることを特徴とする流速測定装置。
2. 前記流速算出手段は、前記励起光照射の開始／終了時刻と前記検出光の変化とから前記液体が前記間隔を流れるのに要した時間を算出する時間算出手段を含むことを特徴とする請求項１記載の流速測定装置。
3. 前記検出光の変化は当該検出光の信号強度の変化であり、前記時間算出手段は、前記検出光の信号強度の最大値又は／及び最小値に基づいて前記時間を算出することを特徴とする請求項２記載の流速測定装置。
4. 前記検出光の信号強度の変化は当該検出光の光路が前記液体内の温度分布に起因してずれたときの光路ずれであり、前記時間算出手段は、前記検出光の光路ずれの最大値に基づいて前記時間を算出することを特徴とする請求項２記載の流速測定装置。
5. 前記時間算出手段は、前記検出光の光路がずれる速度の最大値に基づいて前記時間を算出することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の流速測定装置。
6. 前記励起光照射手段は前記励起光を導波する第１の半径の少なくとも１本の光ファイバーを備え、前記検出光照射手段は前記検出光を導波する第２の半径の少なくとも１本の光ファイバーを備え、前記間隔は前記第１の半径と前記第２の半径の和以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の流速測定装置。
7. 前記第１の半径と第２の半径の和は１２５μｍであることを特徴とする請求項６記載の流速測定装置。
8. 前記間隔は１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の流速測定装置。
9. 流路内を流れる液体へ前記流路の上流側において励起光を照射する励起光照射手段と、前記流路内を流れる液体へ前記流路の下流側において検出光を照射する検出光照射手段と、前記流路内を流れる液体を透過した検出光の変化量を検出する検出手段と、前記検出された検出光の信号強度の最大値又は最小値に基づいて前記流路内を流れる液体の流速を算出する流速算出手段とを備えることを特徴とする流速測定装置。
10. 前記励起光を変調する変調器を備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の流速測定装置。
11. 前記照射された励起光を前記液体に集光照射する集光レンズを備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の流速測定装置。
12. 前記集光レンズは色収差を有することを特徴とする請求項１１記載の流速測定装置。
13. 前記集光レンズはロッドレンズから成ることを特徴とする請求項１１又は１２記載の流速測定装置。
14. 前記集光レンズは前記照射された検出光を前記液体に集光照射することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の流速測定装置。
15. 前記励起光の焦点は前記液体の深さ方向に関する略中央に位置し、前記検出光の焦点は、前記液体の深さ方向に関して前記励起光の焦点の位置からずれていることを特徴とする請求項１４記載の流速測定装置。
16. 前記検出手段は位置センサーから成ることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の流速測定装置。
17. 前記検出手段は、ピンホールと、当該ピンホールに対して前記検出光の進行方向の位置に設けられた光センサーとから成ることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の流速測定装置。
18. 流路内を流れる液体へ励起光を照射することにより当該液体内に温度分布を形成して前記流路内を流れる液体の流速を測定するために用いられる液体内温度分布発生素子において、前記流路内を流れる液体へ前記流路の上流側において前記励起光を導波する励起光導波手段と、前記流路内を流れる液体へ前記流路の下流側において検出光を導波する検出光導波手段とを備えることを特徴とする液体内温度分布発生素子。
19. 前記励起光導波手段は、前記励起光を導波する第１の半径の少なくとも１本の光ファイバーを備え、前記検出光導波手段は、前記検出光を導波する第２の半径の少なくとも１本の光ファイバーを備え、前記液体内における前記励起光の導波位置及び前記検出光の導波位置の間隔は、前記第１の半径と前記第２の半径の和以下であることを特徴とする請求項１８記載の液体内温度分布発生素子。
20. 前記励起光及び検出光のそれぞれ少なくとも１本の光ファイバーは、それらの導波方向の下流側にある端部が同一平面上にあることを特徴とする請求項１８又は１９記載の液体内温度分布発生素子。
21. 前記第１の半径と第２の半径の和は１２５μｍであることを特徴とする請求項１８乃至２０のいずれか１項に記載の液体内温度分布発生素子。
22. 前記間隔は１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１８乃至２１のいずれか１項に記載の液体内温度分布発生素子。
23. 前記導波された励起光を前記液体に集光照射する集光レンズを備えることを特徴とする請求項１８乃至２２のいずれか１項に記載の液体内温度分布発生素子。
24. 前記集光レンズは色収差を有することを特徴とする請求項２３記載の液体内温度分布発生素子。
25. 前記集光レンズはロッドレンズから成ることを特徴とする請求項２３又は２４記載の液体内温度分布発生素子。
26. 前記集光レンズは前記導波された検出光を前記液体に集光照射することを特徴とする請求項２３乃至２５のいずれか１項に記載の液体内温度分布発生素子。
27. 前記励起光の焦点は前記液体の深さ方向に関する略中央に位置し、前記検出光の焦点は、前記液体の深さ方向に関して前記励起光の焦点の位置からずれていることを特徴とする請求項２６記載の液体内温度分布発生素子。
28. 流路内を流れる液体へ前記流路の上流側において励起光を照射する励起光照射ステップと、前記流路内を流れる液体へ前記流路の下流側において検出光を照射する検出光照射ステップと、前記流路内を流れる液体を透過した検出光の変化を検出する検出ステップと、前記液体内における励起光の照射位置及び前記検出光の照射位置の間隔と前記検出された検出光の変化とに基づいて前記流路内を流れる液体の流速を算出する流速算出ステップとを有することを特徴とする流速測定方法。

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