JP7494431B1 - 振動流路装置 - Google Patents

Abstract

簡単な構成で、管路を効果的に振動させ、かつ、管路を安定に支持することが可能な振動流路装置を提供する。振動流路装置１は、振動管部１０と、流路方向に沿って振動管部１０に隣接する制動管部２１，２２とを含む、流体を流すための管部１０１と、振動管部１０を振動させる圧電素子３１，３２とを備え、制動管部２１，２２は、振動管部１０から制動管部２１，２２に向かう振動波の少なくとも一部を振動管部１０に向かって反射させるように構成されている。

Description

本発明は、管路を振動させる振動流路装置に関する。

流体の混合や化学反応の促進には、流体の乱流化が重要である。しかし流体混合装置の小型にともない流路径が小さくなると、流路内の流れは層流になりやすく、乱流化が困難となる。例えば、マイクロ流路に供給する前の管路に機械的振動を加えることで、流体混合反応を著しく促進させたという報告（日本機械学会論文集（Ｂ編）７１巻７０３号（２００５－３）「マイクロ流路内の流体混合反応に与える振動の効果」）（非特許文献１）がされており、流体攪拌に機械的振動が有効であることが確認されている。

非特許文献１の報告でも図示されているが、機械的振動の発生源として、一般には電磁モータが用いられる。しかし、電磁方式は小型化にともなって巻き線損失が大きく、エネルギー効率が極度に低下するという問題がある。一方で圧電体は、巻き線が存在せず構造が単純で発生力が大きいことから、小型化に適している。また、振動を用いる場合、その振動を伝達させたくない領域において、振動をいかに抑圧するかが問題になる。通常のダンパーは、振動エネルギーを熱エネルギーとして吸収するが、化学反応においてはその熱エネルギーの発生が問題になる場合がある。

圧電体による振動で流体に作用させる装置として、特開２００８－２７２６９４号公報（特許文献１）に示すような「超音波流体移動装置およびこれを使用した攪拌器並びにポンプ」が提案されている。これは、流体の容器の外壁に複数の超音波発生素子を接合し、流体を移動する力を生成するように構成されている。

特開２００８－２７２６９４号公報

日本機械学会論文集（Ｂ編）７１巻７０３号（２００５－３）「マイクロ流路内の流体混合反応に与える振動の効果」

しかし、特許文献１に記載されたような超音波流体移動装置およびこれを使用した攪拌器並びにポンプは、圧電体によって機械的振動が発生することが明示されているものの、その振動の漏洩をどのように対策するか不明である。振動漏洩の対策を講じない場合、管路の保持が困難となり、保持状態によっては、振動性能が低下し不安定になる恐れがある。

流体の混合ないしは化学反応の効率を上げるには、その流体を攪拌し、乱流化させることが望ましい。しかし、流路装置の小型化が進み、管路径が小さくなると、そこを通る流体は層流になりやすく、乱流化が困難となる。管路に機械的振動を与えることが乱流化に効果的であることが知られているが、通常の電磁モータ方式の振動装置は大型になりやすい。また、仮に振動を与える構成ができたとしても、振動が漏洩し、振動させたくない領域にも振動が伝わり、管路の保持が困難となるなどの問題がある。

したがって、小型の振動発生源を備え、振動漏洩の生じにくい、流路構造体の実現が理想である。

そこでこの発明の目的は、簡単な構成で、管路を効果的に振動させ、かつ、管路を安定に支持することが可能な振動流路装置を提供することである。

本発明に従った振動流路装置は、振動管部と、流路方向に沿って振動管部に隣接する制動管部とを含む、流体を流すための管部と、振動管部を振動させる圧電素子とを備え、制動管部は、振動管部から制動管部に向かう振動波の少なくとも一部を振動管部に向かって反射させるように構成されている。

本発明において、流体は、液体、気体に加え、粉体を含むものとする。また、圧電素子は、圧電セラミックス、圧電単結晶、圧電薄膜などを含むものとする。

このようにすることにより、簡単な構成で、振動流路装置内において、振動管部に振動する領域を設け、制動管部に振動しない領域を設けることができるので、振動管部内で効果的に流体を撹拌させたり流体の輸送を促進させたりし、かつ、制動管部または制動管部よりも外側において、複雑な構造を用いることなく、振動流路装置を支持することができる。

第１実施形態の振動流路装置の全体を模式的に示す図である。 第１実施形態の振動流路装置が備える圧電素子の駆動方式を模式的に示す図である。 第２実施形態の（Ａ）振動流路装置の全体を模式的に示す図と、（Ｂ）副振動管部を半透明にして部分的に示す図である。 第３実施形態の振動流路装置の全体を模式的に示す図である。 第４実施形態の振動流路装置の全体を模式的に示す図である。 第４実施形態の振動流路装置が備える圧電素子の駆動方式を模式的に示す図である。 第５実施形態の振動流路装置の全体を模式的に示す図である。 第６実施形態の（Ａ）振動流路装置の全体を模式的に示す図と、（Ｂ）主振動管部を半透明にして部分的に示す図である。 第７実施形態の（Ａ）振動流路装置の全体を模式的に示す図と、（Ｂ）管部を半透明にして部分的に示す図である。 第７実施形態の圧電素子と接合部材を流路に垂直な方向からみた図（Ａ）と、流路に沿った方向から見た図（Ｂ）である。 第８実施形態の（Ａ）振動流路装置の全体を模式的に示す図と、（Ｂ）管部を半透明にして部分的に示す図と、（Ｃ）内蔵棒を拡大して示す図である。 第８実施形態の内蔵棒の構造のみが異なる形態の（Ａ）振動流路装置の全体を模式的に示す図と、（Ｂ）管部を半透明にして部分的に示す図と、（Ｃ）内蔵棒を拡大して示す図である。 第８実施形態の振動管部の管路の構造のみが異なる別の形態の（Ａ）振動流路装置の全体を模式的に示す図と、（Ｂ）管部を半透明にして部分的に示す図と、（Ｃ）内蔵棒を拡大して示す図である。 第９実施形態の（Ａ）振動流路装置の全体を模式的に示す図と、（Ｂ）分解斜視図と、（Ｃ）管路の内表面の拡大図である。 実施例１の振動流路装置の振動による変位を有限要素法ＦＥＭ解析によって示した振動変位図である。 実施例２の振動流路装置の振動による変位を有限要素法ＦＥＭ解析によって示した振動変位図である。 実施例３の振動流路装置の振動による変位を有限要素法ＦＥＭ解析によって示した振動変位図である。 実施例５の振動流路装置の振動による変位を有限要素ＦＥＭ解析によって示した振動変位図である。 実施例７の振動流路装置の振動による変位を有限要素ＦＥＭ解析によって示した振動変位図である。 比較例の振動流路装置の全体を模式的に示す図である。 比較例の振動流路装置の振動による変位を有限要素法ＦＥＭ解析によって示した振動変位図である。

以下、本発明の振動流路装置について具体例を交えながら詳細に説明する。なお、本発明は以下に示される実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で各種の変更が可能である。

＜第１実施形態＞
図１に示すように、振動流路装置１は、振動管部１１と、流路方向に沿って振動管部１１に隣接する制動管部２１ａ，２１ｂと、制動管部２１ａ，２１ｂの外側に突出した端部管部４１ａ，４１ｂを含む、流体を流すための円筒型の管部１０１と、振動管部１１を振動させる第１の圧電素子３１ａと第２の圧電素子３１ｂとを備える。

管部１０１の管路は、１本の管１０１ａによって形成されている。この実施形態では、限定ではなく一例として、管１０１ａは石英ガラス製の筒である。管部１０１の中央部分に位置する振動管部１１は、管１０１ａをそのまま用いており、材質は石英ガラスである。振動管部１１の両外側には制動管部２１ａ，２１ｂが配置されている。制動管部２１ａ，２１ｂは、管１０１ａの管の外周面上に制動部材が被覆または巻き付けられて構成されている。この実施形態では、制動部材としてステンレス鋼製の筒が石英ガラスの管１０１ａの外周面上に取り付けられて制動管部２１ａ，２１ｂを構成している。制動管部２１ａ，２１ｂは、図１に示すように管部１０１の両端から端部管部４１ａ，４１ｂを残して内側に入った位置に配置されてもよく、別の形態として、管部１０１の両端に配置されて管部１０１が端部管部４１ａ，４１ｂを備えないようにしてもよい。

また、別の形態として、管部１０１の管路が１本の管１０１ａによって形成されているのではなく、振動管部１１の管路が石英ガラス製の筒によって形成され、制動管部２１ａ，２１ｂの管路がステンレス鋼製の筒によって形成され、振動管部１１が制動管部２１ａ，２１ｂに差し込まれて管部１０１が形成されてもよい。また、管１０１ａは複数の材質によって構成されていてもよい。

振動流路装置１は、端部管部４１ａ，４１ｂにおいて支持部材（図示しない）によって支持される。端部管部４１ａ，４１ｂの外側には、さらに別の管路が接続されてもよい。

図２に示すように、第１の圧電素子３１ａと第２の圧電素子３１ｂは、一般にブザー用として普及しているものなど、公知の圧電素子を用いることができ、限定ではなく一例として、第１の圧電素子３１ａの場合、両主面に電極３０１ａ，３０１ｂが形成された圧電セラミックスを黄銅製の円板３０１ｃに接着したしたものを用いることができる。第２の圧電素子３１ｂも第１の圧電素子３１ａと同様に構成されている。圧電素子３１ａ，３１ｂは振動管部１１上の所定の位置に固定されている。圧電素子３１ａ，３１ｂの固定は、接着、溶着、溶接など、振動管部１１と圧電素子３１ａ，３１ｂの材質によって公知の適切な方法でなされる。

図２に示すように、振動流路装置１の第１の圧電素子３１ａは、振動管部１１の管路軸に対して垂直な第１の方向に屈曲振動を励起させるように配置され、第２の圧電素子３１ｂは、振動管部１１の管路軸に対して垂直な、第１の方向とは異なる第２の方向に屈曲運動を励起させるように配置されている。図２では、振動流路装置１においては、第１の圧電素子３１ａが励起させる屈曲運動の第１の方向と第２の圧電素子３１ｂが励起させる屈曲運動の第２の方向は略直交している。

振動管部１１を構成する材質、すなわち、管１０１ａの材質の音響インピーダンスの平均はＺ_ｖであり、制動管部２１ａ，２１ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｂであり、Ｚ_Ｂ＞Ｚ_Ｖである。例えば、振動管部１１が石英ガラスのみで形成されている場合、Ｚ_Ｖは石英ガラスの音響インピーダンスであり、制動管部２１ａ，２１ｂが石英ガラスの筒の外周面上にステンレス鋼の筒を巻き付けて構成されている場合、Ｚ_Ｂは石英ガラスの音響インピーダンスとステンレス鋼の音響インピーダンスの平均である。また例えば、振動管部１１が複数の材質によって形成されており、制動管部２１ａ，２１ｂが単一の材質で形成されている場合、Ｚ_Ｖは振動管部１１を構成する複数の材質のそれぞれの音響インピーダンスの平均であり、Ｚ_Ｂは制動管部２１ａ，２１ｂを構成する材質の音響インピーダンスである。

管部１０１内に流体を流し、第１の圧電素子３１ａと第２の圧電素子３１ｂに交流電圧が印加されると、振動管部１１は管路軸を中心に回転運動する。振動管部１１の振動波は、流路方向に沿って振動管部１１の両端に隣接する制動管部２１ａ，２１ｂに向かうが、振動管部１１を構成する部材の材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｖよりも制動管部２１ａ，２１ｂを構成する部材の材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｂの方が大きいので、振動波の少なくとも一部は振動管部１１と制動管部２１ａ，２１ｂとの境界で反射され、振動管部１１内に戻る。好ましくは、例えばＺ_ＶとＺ_Ｂの差を大きくして、振動管部１１から制動管部２１ａ，２１ｂに向かう振動波のすべてを振動管部１１に向かって反射させることが好ましい。

このようにすることにより、簡単な構成で、振動流路装置内において、振動管部に振動する領域を設け、制動管部に振動しない領域を設けることができるので、振動管部内で効果的に流体を撹拌させたり流体の輸送を促進させたりし、かつ、制動管部または制動管部よりも外側において、複雑な構造を用いることなく、振動流路装置を支持することができる。

また、安定した性能を有し、単純で小型サイズの振動流路装置１を実現することができる。

さらに、振動管部１１の内壁に螺旋形状やジグザグ形状など、連続的あるいは断続的な凹凸形状を形成することで、流体を攪拌するとともに、管路の軸方向へ動きも作用させ、流体を管路内で輸送することができる。

さらに、制動管部２１ａ，２１ｂの管路軸に垂直な方向に沿った外径寸法は、振動管部１１の管路軸に垂直な方向に沿った外径寸法より大きく形成されている。

さらにまた、振動管部１１は石英ガラスのみによって構成され、制動管部２１ａ，２１ｂは石英ガラスとその外周面上のステンレス鋼とによって構成される場合、制動管部２１ａ，２１ｂの管路軸に沿った単位長さあたりの質量は、振動管部１１の管路軸に沿った単位長さあたりの質量より大きい。この実施形態では、振動管部１１を構成する石英ガラスよりも制動管部２１ａ，２１ｂを構成するステンレス鋼の方が密度が大きい。

このようにすることにより、制動管部２１ａ，２１ｂが、振動管部１１から制動管部２１ａ，２１ｂに向かう振動波のより多くを振動管部１１に向かって反射させることができる。

なお、振動管部１１の材質と制動管部２１ａ，２１ｂの材質を、例えばどちらも石英ガラス製であるなど同一にして、制動管部２１ａ，２１ｂの管路軸に垂直な方向に沿った外径寸法を、振動管部１１の管路軸に垂直な方向に沿った外径寸法より大きく形成してもよい。あるいは、振動管部１１の材質と制動管部２１ａ，２１ｂの材質を同一にして、制動管部２１ａ，２１ｂの管路軸に沿った単位長さあたりの質量を、振動管部１１の管路軸に沿った単位長さあたりの質量より大きくしてもよい。このようにすることにより、振動管部１１を構成する材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｖと制動管部２１ａ，２１ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｂが同一であっても、振動管部１１から制動管部２１ａ，２１ｂに向かう振動波の少なくとも一部を振動管部１１に向かって反射させることができる。

上述のように、図２に示すように、振動流路装置１においては、第１の圧電素子３１ａが励起させる屈曲運動の第１の方向と第２の圧電素子３１ｂが励起させる屈曲運動の第２の方向は略直交している。第１の圧電素子３１ａに印加される交流電圧の周波数と第２の圧電素子３１ｂに印加される交流電圧の周波数は、略同一であってもよく、異なっていてもよい。また、第１の圧電素子３１ａに印加される交流電圧の位相と第２の圧電素子３１ａに印加される交流電圧の位相は、略同一であってもよく、異なっていてもよく、略９０°異なっていてもよい。

流体を回転させて攪拌の効率を高めるには、流体の回転方向が正逆交互に繰り返されることが望ましい。第１の圧電素子３１ａに印加される交流電圧と第２の圧電素子３１ｂに印加される交流電圧に周波数差を持たせることで、それが実現できる。流体の回転方向は、二つの圧電素子３１ａ，３１ｂの振動方向の相対的関係によって決まるが、両振動の周波数に差異があることで、両振動の相対的方向関係が時間とともに変わる。回転方向が正逆交互に繰り返されるのはこのためである。

さらに理解に供するために説明を加える。たとえば、上下振動を発生させる圧電素子３１ａと、左右振動を発生させる圧電振動子３１ｂがある場合、管路内の流体が、圧電素子３１ａによって上方向に変位し、その次の瞬間に圧電素子３１ｂによって右方向に変位、そして次の瞬間に圧電素子３１ａによって下方向に変位、次の瞬間に圧電素子３１ｂによって左方向に変位するとき、これは連続的に見ると右回転（時計回り＝正回転）が生じていることになる。一方、管路内の流体が、圧電素子３１ａによって上方向に変位し、その次の瞬間に圧電素子３１ｂによって左方向に変位、そして次の瞬間に圧電素子３１ａによって下方向に変位、次の瞬間に圧電素子３１ｂによって右方向に変位するとき、これは連続的に見ると左回転（反時計回り＝逆回転）が生じていることになる。このように、右回転と左回転のちがいは、両振動の相対的方向関係が異なることによる。上下振動と左右振動の周波数に差があれば、その振動方向の相対的関係が時間とともに変わることになるので、時間の経過にともない右回転・左回転が交互に繰り返されることになる。

このように、振動流路装置においては、第１の方向と第２の方向は略直交しており、第１の圧電素子に印加される交流電圧の周波数と第２の圧電素子に印加される交流電圧の周波数は異なっていることが好ましい。

＜第２実施形態＞
図３に示すように、第２実施形態の振動流路装置２は、第１の振動管部として主振動管部１２１と、第２の振動管部として主振動管部１２１とは異なる材質によって形成されている副振動管部１２２ａ，１２２ｂとからなる振動管部１２と、流路方向に沿って振動管部１２の副振動管部１２２ａ，１２２ｂに隣接する制動管部２２ａ，２２ｂとを含む、流体を流すための管部１０２と、振動管部１２を振動させる圧電素子３２ａ，３２ｂとを備える。圧電素子３２ａ，３２ｂは第１実施形態の圧電素子３１ａ，３１ｂと同様に構成され得る。図３（Ｂ）に示すように、副振動管部１２２ａ，１２２ｂの端部の一方に主振動管部１２１が差し込まれ、他方の端部に制動管部２２ａ，２２ｂが差し込まれている。主振動管部１２１と制動管部２２ａ，２２ｂは離間されており、接していない。振動流路装置２は、制動管部２２ａ，２２ｂにおいて支持部材（図示しない）によって支持される。制動管部２２ａ，２２ｂの外側には、さらに別の管路が接続されてもよい。

主振動管部１１を構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｖ１であり、流路方向に沿って主振動管部１１に隣接する副振動管部１２２ａ，１２２ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｖ２である。制動管部２２ａ，２２ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｂである。

この実施形態では、音響インピーダンスの大きさの関係は、Ｚ_Ｖ１＞Ｚ_Ｖ２、かつ、Ｚ_Ｂ＞Ｚ_Ｖ２である。限定ではなく、一例として、主振動管部１１は石英ガラス製であり、副振動管部１２２ａ，１２２ｂはシリコーンなどの有機ケイ素化合物やＰＴＦＥなどのフッ素樹脂などの高分子材料によって構成されており、制動管部２２ａ，２２ｂは石英ガラス製である。

管部１０２内に流体を流し、第１の圧電素子３２ａと第２の圧電素子３２ｂに交流電圧が印加されると、主振動管部１２１と副振動管部１２２ａ，１２２ｂを含む振動管部１２は管路軸を中心に回転運動する。主振動管部１２１の振動波は、流路方向に沿って主振動管部１２１の両端に隣接する副振動管部１２２ａ，１２２ｂに向かう。副振動管部１２２ａ，１２２ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｖ２は主振動管部１２１を構成する材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｖ１より小さいので、振動波は主振動管部１２１から副振動管部１２２ａ，１２２ｂに伝わり、さらに、制動管部２２ａ，２２ｂに向かう。副振動管部１２２ａ，１２２ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｖ２よりも制動管部２２ａ，２２ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｂの方が大きいので、振動波の少なくとも一部は副振動管部１２２ａ，１２２ｂと制動管部２２ａ，２２ｂとの境界、すなわち、振動管部１２と制動管部２２ａ，２２ｂとの境界で反射され、振動管部１２内に戻る。好ましくは、例えばＺ_Ｖ２とＺ_Ｂの差を大きくして、振動管部１２から制動管部２２ａ，２２ｂに向かう振動波のすべてを振動管部１２に向かって反射させることが好ましい。

また、音響インピーダンスの大きさの関係は、Ｚ_Ｂ＞Ｚ_Ｖ１＞Ｚ_Ｖ２であることがさらに好ましい。この場合、限定ではなく、一例として、主振動管部１２１を構成する材質は石英ガラスであり、副振動管部１２２ａ，１２２ｂを構成する材質はシリコーンなどの有機ケイ素化合物やＰＴＦＥなどのフッ素樹脂などの高分子材料であり、制動管部２２ａ，２２ｂを構成する材質はステンレス鋼である。このようにすることにより、Ｚ_Ｖ２とＺ_Ｂの差が大きくなり、振動管部１２から制動管部２２ａ，２２ｂに向かう振動波のより多くの部分を振動管部１２に向かって反射させることができる。

第２実施形態の振動流路装置２のその他の構成と作用効果は第１実施形態と同様である。

＜第３実施形態＞
図４に示すように、振動流路装置３は、振動管部１３と、流路方向に沿って振動管部１３に隣接する制動管部２３ａ，２３ｂとを含む、流体を流すための管部１０３と、振動管部１３を振動させる単一の圧電素子３３を備える。圧電素子３３は第１実施形態の圧電素子３１ａ，３１ｂと同様に構成され得る。制動管部２３ａの外側には管部１０３の一方の端部管部４３ａが突き出しており、制動管部２３ｂの外側には管部１０３の他方の端部管部４３ｂが付き出している。振動流路装置３は、端部管部４３ａ，４３ｂにおいて支持部材（図示しない）によって支持される。端部管部４３ａ，４３ｂの外側には、さらに別の管路が接続されてもよい。圧電素子３３は、振動管部１３の管路軸に対して垂直な１つの方向に屈曲振動を励起させるように、振動管部１３上に固定されている。

管部１０３の管路は、１本の管１０３ａによって形成されている。この実施形態では、限定ではなく一例として、管１０３ａは石英ガラス製の筒である。管部１０３の中央部分に位置する振動管部１３は、管１０３ａをそのまま用いており、管１０３ａを構成する材質（例えば石英ガラス）の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｖである。振動管部１３の両外側には制動管部２３ａ，２３ｂが配置されている。制動管部２３ａ，２３ｂは、管１０３ａの管の外周面上に制動部材が被覆または巻き付けられて構成されている。制動管部２３ａ，２３ｂにおいては、管１０３ａの材質（例えば石英ガラス）の音響インピーダンスと、管１０３ａの外周面上に被覆または巻き付けられた制動部材の材質（例えばステンレス鋼）の音響インピーダンスの平均が音響インピーダンスＺ_Ｂであり、Ｚ_Ｂ＞Ｚ_Ｖである。

また、別の形態として、振動管部１３が石英ガラス製の筒によって形成され、制動管部２３ａ，２３ｂがステンレス鋼製の筒によって形成され、振動管部１３が制動管部２３ａ，２３ｂに差し込まれて管部１０３が形成されてもよい。また、管１０３ａは複数の材質によって構成されていてもよい。

管部１０３内に流体を流し、圧電素子３３に交流電圧が印加されると、振動管部１３は管路軸を中心に振動する。振動管部１３の振動波は、流路方向に沿って振動管部１３の両端に隣接する制動管部２３ａ，２３ｂに向かうが、振動管部１３を構成する材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｖよりも制動管部２３ａ，２３ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｂの方が大きいので、振動波の少なくとも一部は振動管部１３と制動管部２３ａ，２３ｂとの境界で反射され、振動管部１３内に戻る。好ましくは、例えばＺ_ＶとＺ_Ｂの差を大きくして、振動管部１３から制動管部２３ａ，２３ｂに向かう振動波のすべてを振動管部１３に向かって反射させることが好ましい。

さらに、制動管部２３ａ，２３ｂの管路軸に垂直な方向に沿った外径寸法は、振動管部１０の管路軸に垂直な方向に沿った外径寸法より大きく形成されている。

さらにまた、制動管部２３ａ，２３ｂの管路軸に沿った単位長さあたりの質量は、振動管部１３の管路軸に沿った単位長さあたりの質量より大きい。この実施形態では、振動管部１３を構成するガラスよりも制動管部２３ａ，２３ｂを構成するステンレス鋼の方が密度が大きい。

このようにすることにより、制動管部２３ａ，２３ｂが、振動管部１３から制動管部２３ａ，２３ｂに向かう振動波のより多くを振動管部１３に向かって反射させることができる。

なお、振動管部１３を構成する材質と制動管部２３ａ，２３ｂを構成する材質を、例えばどちらも石英ガラス製のように同一にして、制動管部２３ａ，２３ｂの管路軸に垂直な方向に沿った外径寸法を、振動管部１３の管路軸に垂直な方向に沿った外径寸法より大きく形成してもよい。あるいは、振動管部１３を構成する材質と制動管部２３ａ，２３ｂを構成する材質を同一にして、制動管部２３ａ，２３ｂの管路軸に沿った単位長さあたりの質量を、振動管部１３の管路軸に沿った単位長さあたりの質量より大きくしてもよい。このようにすることにより、振動管部１３を構成する材質の音響インピーダンスの平均と制動管部２３ａ，２３ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均が同一であっても、振動管部１３から制動管部２３ａ，２３ｂに向かう振動波の少なくとも一部を振動管部１３に向かって反射させることができる。

第３実施形態の振動流路装置３のその他の構成と作用効果は第１実施形態と同様である。

＜第４実施形態＞
図５に示すように、振動流路装置４は、振動管部１４と、流路方向に沿って振動管部１４に隣接する制動管部２４ａ，２４ｂとを含む、流体を流すための管部１０４と、振動管部１４を振動させる第１の圧電素子３４ａと第２の圧電素子３４ｂとを備える。管部１０４の管路は１本の管１０４ａによって形成されている。制動管部２４ａの外側には管部１０４の一方の端部管部４４ａが突き出しており、制動管部２４ｂの外側には管部１０４の他方の端部管部４４ｂが付き出している。振動流路装置１は、端部管部４４ａ，４４ｂにおいて支持部材（図示しない）によって支持される。端部管部４４ａ，４４ｂの外側には、さらに別の管路が接続されてもよい。

図６に示すように、第４実施形態の振動流路装置４が第１実施形態の振動流路装置１と異なる点は、圧電素子３４ａ，３４ｂが、一般にブザー用として普及しているものではなく、一般的なブザー用の圧電素子が備える黄銅板をなくし、第１の圧電素子３４ａの場合、両主面に電極３０４ａ，３０４ｂを形成した角板状の圧電セラミックスを直接、振動管部１４上に接着固定した点である。第２の圧電素子３４ｂも第１の圧電素子３４ａと同様に構成されている。

第４実施形態の振動流路装置４のその他の構成と作用効果は第１実施形態と同様である。

＜第５実施形態＞
図７に示すように、振動流路装置５は、振動管部１５と、流路方向に沿って振動管部１５に隣接する制動管部２５ａ，２５ｂとを含む、流体を流すための管部１０５と、振動管部１５を振動させる第１の圧電素子３５ａと第２の圧電素子３５ｂとを備える。管部１０５の管路は１本の管１０５ａによって形成されている。制動管部２５ａ，２５ｂは、管１０５ａの外周面上に制動部材が被覆されることによって構成されている。管１０５ａを構成する材質（例えば石英ガラス）の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｖであり、制動管部２５ａ，２５ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均、すなわち、管１０５ａを構成する材質（例えば石英ガラス）の音響インピーダンスと管１０５ａ上を被覆する制動部材を構成する物質（例えばステンレス鋼）の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｂであり、Ｚ_Ｂ＞Ｚ_Ｖである。制動管部２５ａ，２５ｂの外側には管部１０５の端部は突き出していない。制動管部２５ａ，２５ｂの外側には、さらに別の管路が接続されてもよい。

図７に示すように、第５実施形態の振動流路装置５が第４実施形態の振動流路装置４と異なる点は、管１０５ａが円筒型ではなく、角型に形成されている点である。

第５実施形態の振動流路装置５のその他の構成と作用効果は第４実施形態と同様である。

＜第６実施形態＞
図８に示すように、振動流路装置６は、第１の振動管部として主振動管部１６１と、第２の振動管部として主振動管部１６１とは異なる材質によって形成されている副振動管部１６２ａ，１６２ｂとからなる振動管部１６と、流路方向に沿って振動管部１６の副振動管部１６２ａ，１６２ｂに隣接する制動管部２６ａ，２６ｂとを含む、流体を流すための管部１０６と、振動管部１６を振動させる圧電素子３６ａ，３６ｂとを備える。圧電素子３６ａ，３６ｂは第１実施形態の圧電素子３１ａ，３１ｂと同様に構成され得る。

図８（Ｂ）に示すように、主振動管部１６１を円筒型ではなく、らせん形状にすることによって、主振動管部１６１の内壁上に連続的に凹凸が形成されている。

副振動管部１６２ａ，１６２ｂの端部の一方に主振動管部１６１が差し込まれ、他方の端部に制動管部２６ａ，２６ｂが差し込まれている。主振動管部１６１と制動管部２６ａ，２６ｂは離間されており、接していない。振動流路装置６は、制動管部２６ａ，２６ｂにおいて支持部材（図示しない）によって支持される。制動管部２６ａ，２６ｂの外側には、さらに別の管路が接続されてもよい。

主振動管部１６１を構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｖ１であり、流路方向に沿って主振動管部１６１に隣接する副振動管部１６２ａ，１６２ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｖ２である。制動管部２６ａ，２６ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｂである。

この実施形態では、音響インピーダンスの大きさの関係は、Ｚ_Ｖ１＞Ｚ_Ｖ２、かつ、Ｚ_Ｂ＞Ｚ_Ｖ２である。限定ではなく、一例として、主振動管部１６１は石英ガラス製であり、副振動管部１６２ａ，１６２ｂはシリコーンなどの有機ケイ素化合物やＰＴＦＥなどのフッ素樹脂などの高分子材料によって構成されており、制動管部２６ａ，２６ｂは石英ガラス製である。

管部１０６内に流体を流し、第１の圧電素子３６ａと第２の圧電素子３６ｂに交流電圧が印加されると、主振動管部１６１と副振動管部１６２ａ，１６２ｂを含む振動管部１６は管路軸を中心に回転運動する。主振動管部１６１の振動波は、流路方向に沿って主振動管部１６１の両端に隣接する副振動管部１６２ａ，１６２ｂに向かう。副振動管部１６２ａ，１６２ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｖ２は主振動管部１６１を構成する材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｖ１より小さいので、振動波は主振動管部１６１から副振動管部１６２ａ，１６２ｂに伝わり、さらに、制動管部２６ａ，２６ｂに向かう。副振動管部１６２ａ，１６２ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｖ２よりも制動管部２６ａ，２６ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｂの方が大きいので、振動波の少なくとも一部は副振動管部１６２ａ，１６２ｂと制動管部２６ａ，２６ｂとの境界、すなわち、振動管部１６と制動管部２６ａ，２６ｂとの境界で反射され、振動管部１６内に戻る。好ましくは、例えばＺ_Ｖ２とＺ_Ｂの差を大きくして、振動管部１６から制動管部２６ａ，２６ｂに向かう振動波のすべてを振動管部１６に向かって反射させることが好ましい。

また、音響インピーダンスの大きさの関係は、Ｚ_Ｂ＞Ｚ_Ｖ１＞Ｚ_Ｖ２であることがさらに好ましい。この場合、限定ではなく、一例として、主振動管部１６１を構成する材質は石英ガラスであり、副振動管部１６２ａ，１６２ｂを構成する材質はシリコーンなどの有機ケイ素化合物やＰＴＦＥなどのフッ素樹脂などの高分子材料であり、制動管部２６ａ，２６ｂを構成する材質はステンレス鋼である。このようにすることにより、Ｚ_Ｖ２とＺ_Ｂの差が大きくなり、振動管部１６から制動管部２６ａ，２６ｂに向かう振動波のより多くの部分を振動管部１６に向かって反射させることができる。

第６実施形態の振動流路装置６のその他の構成と作用効果は第２実施形態と同様である。

＜第７実施形態＞
図９に示すように、振動流路装置７は、流体を流すための円筒型の管部１０７と、管部１０７上に配置された圧電素子３７ａ，３７ｂとを備える。圧電素子３７ａ，３７ｂは第１実施形態の圧電素子３１ａ，３１ｂと同様に構成され得る。圧電素子３７ａ，３７ｂは接合部材３７１ａ，３７１ｂによって管部１０７上に接合されている。管部１０７において、接合部材３７１ａ，３７１ｂが取り付けられた部分の間の管部１０７は振動管部１７を構成し、接合部材３７１ａ，３７１ｂが取り付けられた部分の管部１０７は制動管部２７ａ，２７ｂを構成し、接合部材３７１ａ，３７１ｂの外側の管部１０７は端部管部４７ａ，４７ｂを構成している。管部１０７の管路は１本の管１０７ａによって形成されている。

この実施形態では、接合部材３７１ａ，３７１ｂは、図１０に示すＵ字形状の部材であり、管部１０７を挟んで保持することができる。管部１０７の固定方法の一例としては、接着剤をＵ字形状の接合部材３７１ａ，３７１ｂの内側に塗布して、管１０７ａを接合部材３７１ａ，３７１ｂに挟み、加圧接着する。

振動管部１７を構成する材質、すなわち、管部１０７を構成する管１０７ａの材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｖであり、制動管部２７ａ，２７ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均、すなわち、管１０７ａと接合部材３７１ａ，３７１ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｂである。

この実施形態では、音響インピーダンスの大きさの関係は、Ｚ_Ｂ＞Ｚ_Ｖである。限定ではなく、一例として、管１０７ａはフッ素系樹脂ＰＴＦＥのような高分子で形成され、接合部材３７１ａ，３７１ｂは黄銅のような金属によって形成される。

管部１０７内に流体を流し、第１の圧電素子３７ａと第２の圧電素子３７ｂに交流電圧が印加されると、接合部材３７１ａ，３７１ｂを通して、接合部材３７１ａ，３７１ｂの間の管１０７ａが振動され、振動管部１７は管路軸を中心に回転運動する。

図９のように、第１の圧電素子３７aと第２の圧電素子３７bの間隔を適切な距離にすることで、振動管部１７の振動が大きく、それに比べて制動管部４７a，４７bの振動が小さい、という状態をつくりだすことができる。この実施形態の場合、振動管部１７は、圧電素子３７ａ，３７ｂと管部１０７とを連結させるパーツ（接合部材３７１ａ，３７１ｂ）よりも音響インピーダンスが著しく小さいので、その連結パーツ（接合部材３７１ａ，３７１ｂ）と振動管部１７の境界で音響的な反射効率が高く、振動管部１７の振動が大きく、それに比べて制動管部４７a，４７bの振動が小さい、という状態が顕著になる。すなわち、この連結パーツ（接合部材３７１ａ，３７１ｂ）が制動部材としても作用することになるので、図９においては連結パーツ（接合部材３７１ａ，３７１ｂ）が取り付けられた部分を制動管部２７ａ，２７ｂとして示している。

振動管部１７の振動波は、流路方向に沿って制動管部２７ａ，２７ｂに向かう。振動管部１７を構成する材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｖよりも制動管部２７ａ，２７ｂを構成する材質の音響インピーダンスの平均Ｚ_Ｂの方が大きいので、振動波の少なくとも一部は振動管部１７と制動管部２７ａ，２７ｂとの境界、すなわち、圧電素子３７ａ，３７ｂの接合部材３７１ａ，３７１ｂが取り付けられた位置で反射され、振動管部１７内に戻る。好ましくは、例えばＺ_ＶとＺ_Ｂの差を大きくして、振動管部１７から制動管部２７ａ，２７ｂに向かう振動波のすべてを振動管部１７に向かって反射させることが好ましい。

第７実施形態の振動流路装置７のその他の構成と作用効果は第１実施形態と同様である。

＜第８実施形態＞
図１１に示す第８実施形態の振動流路装置８ａは、振動管部１８ａの構成のみが第１実施形態の振動流路装置１（図１）と異なる。制動管部２８ａ，２８ｂ、圧電素子３３ａ，３３ｂ、端部管部４８ａ，４８ｂは、それぞれ、第１実施形態の制動管部２１ａ，２１ｂ、圧電素子３１ａ，３１ｂ、端部管部４１ａ，４１ｂと同様に構成され得る。

図１１に示すように、振動流路装置８ａは、第１の実施形態の振動流路装置１の振動管部１１に代えて振動管部１８ａを備える。

振動管部１８ａには２か所のくぼみ１８１ａが形成されており、くぼみ１８１ａの位置では管１０８ａの内径が他の部分よりも小さくなっている。くぼみ１８１ａは管１０８ａの周方向に沿って全周に形成されている。２か所のくぼみ１８１ａの間の管路内には内蔵棒５８ａが収容されている。内蔵棒５８ａの外径は流路に沿って一定であり、くぼみ１８１ａの位置の管路の内径よりも大きく形成されており、内蔵棒５８ａは２か所のくぼみ１８１ａの間においてのみ動くことができる。なお、内蔵棒５８ａを管路内に固定して動かないようにしてもよい。また、２か所のくぼみ１８１ａの間に複数の内蔵棒を備えてもよく、くぼみ１８１ａが流路に沿って３か所以上に形成され、流路に沿って異なる位置に複数、備えられてもよい。この実施形態では、内蔵棒５８ａは石英ガラスで形成されているが、別の材質によって形成されていてもよい。

図１２に示す振動流路装置８ｂは第８実施形態の振動流路装置８の変形例である。振動管部１８ｂ内の内蔵棒５８ｂの構成のみが図１１の内蔵棒５８ａと異なる。内蔵棒５８ｂは表面に複数の凹凸が形成されている。内蔵棒５８ｂの凸部または凹部における外径はくぼみ１８１ｂの位置の管路の内径よりも大きく形成されており、内蔵棒５８ｂは２か所のくぼみ１８１ｂの間においてのみ動くことができる。

以上の通り、振動流路装置８ａは、振動管部１８ａの管路内に収容される撹拌子として内蔵棒５８ａを備え、振動管部１８ａは、第１の内径を有する少なくとも２つの第１の部分としてくぼみ１８１ａと、第２の内径を有する第２の部分として２つのくぼみ１８１ａの間に配置される部分を含み、第１の内径は第２の内径よりも小さく、内蔵棒５８ａの外径は第１の内径より大きく、内蔵棒５８ａは第２の部分において振動管部１８ａの管路内に収容されている。

また、振動流路装置８ｂは、振動管部１８ｂの管路内に収容される撹拌子として内蔵棒５８ｂを備え、振動管部１８ｂは、第１の内径を有する少なくとも２つの第１の部分としてくぼみ１８１ｂと、第２の内径を有する第２の部分として２つのくぼみ１８１ｂの間に配置される部分を含み、第１の内径は第２の内径よりも小さく、内蔵棒５８ｂの外径は第１の内径より大きく、内蔵棒５８ｂは第２の部分において振動管部１８ｂの管路内に収容されている。

このように、表面に凹凸が形成されていない内蔵棒５８ａや表面に凹凸のある内蔵棒５８ｂを振動管部１８ａ，１８ｂ内に備えることにより、より効果的に流体を攪拌するとともに、管路の軸方向へ動きも作用させ、流体を管路内で輸送することができる。特に、内蔵棒５８ａ，５８ｂが管路内に固定されていない場合、管路の振動や管路内部の流体の動きを受けて内蔵棒５８ａ，５８ｂも動くので、流体の撹拌混合や流体の輸送に効果的である。

図１３に示す振動流路装置８ｃは、図１１に示す第８実施形態の振動流路装置８ａのさらに別の変形例である。

振動流路装置８ｃは、振動管部１８ｃの管路内に収容される撹拌子として内蔵棒５８ｃを備え、振動管部１８ｃは、第１の内径を有する少なくとも２つの第１の部分としてくぼみ１８１ｃと、第２の内径を有する第２の部分として２つのくぼみ１８１ｃの間に配置される部分を含み、第１の内径の少なくとも一部は第２の内径よりも小さく、内蔵棒５８ｃの外径は第１の内径の最小値より大きく、内蔵棒５８ｃは第２の部分において振動管部１８ｃの管路内に収容されている。

振動流路装置８ｃでは、振動管部１８ｃのくぼみ１８１ｃの形状が図１１，１２に示すくぼみ１８１ａ，１８１ｂと異なる。振動管路１８ｃのくぼみ１８１ｃは、振動管部１８ｃにおいて管１０８ａの全周に形成されているのではなく、限定ではなく例えば半周分のみ、または１／４周のみのように、管１０８ａの周方向の一部のみに形成されている。内蔵棒５８ｃは図１１に示す振動流路装置８ａの内蔵棒５８ａと同様の円柱状の形状である。

このようにすることにより、振動流路装置８ｃの管１０８ａが鉛直方向に沿うように振動流路装置８ｃを配置したときに、内蔵棒５８ｃとくぼみ１８１ｃが管１０８ａの流路を閉塞することを防ぐことができる。

第８実施形態の振動流路装置８のその他の構成と作用効果は第１実施形態と同様である。

＜第９実施形態＞
図１４に示す第９実施形態の振動流路装置９は、図７に示す第５実施形態の振動流路装置５とは振動管部１９の管路内部と制動管部２９ａ，２９ｂの形状が異なる。圧電素子３９ａ，３９ｂは第５実施形態の圧電素子３５ａ，３５ｂと同様に構成され得る。

第９実施形態の振動流路装置９では、管部１０９の端部が制動管部２９ａ，２９ｂの内部に埋め込まれておらず、制動管部２９ａ，２９ｂの上面に露出している。振動管部１９は蓋部１９１ａと底部１９１ｂの２つの部材から構成されており、管路内部において底部１９１ｂの表面には複数の凹凸が形成されている。さらに、振動管部１９の内部には内蔵棒５９が収容されている。

このように、管流路の内表面上に凹凸を形成し、さらに、内蔵棒５９を備えることにより、より効果的に流体を攪拌するとともに、管路の軸方向へ動きも作用させ、流体を管路内で輸送することができる。

第９実施形態の振動流路装置９のその他の構成と作用効果は第５実施形態と同様である。

本発明を要約すると以下の通りである。

（１）振動管部と、流路方向に沿って振動管部に隣接する制動管部とを含む、流体を流すための管部と、振動管部を振動させる圧電素子とを備え、制動管部は、振動管部から制動管部に向かう振動波の少なくとも一部を振動管部に向かって反射させるように構成されている、振動流路装置。

（２）振動管部を構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｖであり、制動管部を構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｂであり、Ｚ_Ｂ＞Ｚ_Ｖである、（１）に記載の振動流路装置。

（３）制動管部の管路軸に垂直な方向に沿った外径寸法は、振動管部の管路軸に垂直な方向に沿った外径寸法より大きい、（１）または（２）に記載の振動流路装置。

（４）制動管部の管路軸に沿った単位長さあたりの質量は、振動管部の管路軸に沿った単位長さあたりの質量より大きい、（１）から（３）までのいずれか１つに記載の振動流路装置。

（５）振動管部は、第１の振動管部と、第１の振動管部とは異なる材質によって形成されて流路方向に沿って第１の振動管部に隣接する第２の振動管部とを含み、第１の振動部を構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｖ１であり、第２の振動部を構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｖ２であり、第２の振動管部は流路方向に沿って制動管部に隣接し、制動管部を構成する材質の音響インピーダンスの平均は音響インピーダンスＺ_Ｂであり、Ｚ_Ｖ１＞Ｚ_Ｖ２、かつ、Ｚ_Ｂ＞Ｚ_Ｖ２である、（１）から（４）までのいずれか１つに記載の振動流路装置。

（６）第２の振動管部を構成する材質は高分子材料である、（５）に記載の振動流路装置。

（７）制動管部は、流路方向に沿って振動管部の一方の端部に隣接する第１の制動管部と、流路方向に沿って振動管部の他方の端部に隣接する第２の制動管部とを含む、（１）から（６）までのいずれか１つに記載の振動流路装置。

（８）第１の圧電素子と第２の圧電素子を備え、第１の圧電素子は、振動管部の管路軸に対して垂直な第１の方向に屈曲振動を励起させるように配置され、第２の圧電素子は、振動管部の管路軸に対して垂直な、第１の方向とは異なる第２の方向に屈曲運動を励起させるように配置されている、（１）から（７）までのいずれか１つに記載の振動流路装置。

（９）振動管部を構成する材質はガラスである、（１）から（８）までのいずれか１つに記載の振動流路装置。

（１０）振動管部は、連続的または断続的な凹凸形状が形成された内壁面を有する、（１）から（９）までのいずれか１つに記載の振動流路装置。

（１１）第１の方向と第２の方向は略直交しており、第１の圧電素子に印加される交流電圧の周波数と第２の圧電素子に印加される交流電圧の周波数は異なっている、（８）に記載の振動流路装置。

（１２）振動管部の管路内に収容される撹拌子を備え、振動管部は、第１の内径を有する少なくとも２つの第１の部分と、２つの第１の部分の間に配置されて第２の内径を有する第２の部分とを含み、第１の内径の少なくとも一部は第２の内径よりも小さく、撹拌子の外径は第１の内径の最小値より大きく、撹拌子は第２の部分において振動管部の管路内に収容されている、（１）から（１１）までのいずれか１つに記載の振動流路装置。

本発明に係る振動流路装置の具体的な製造例及び試験結果を示して、より詳細に説明する。

＜実施例１＞
図１に示す第１実施形態の振動流路装置１において、管部１０１の管路を形成する管１０１ａとして全長２００ｍｍ、外径φ３ｍｍ、内径φ１．５ｍｍの石英ガラス製の円筒を用いた。制動管部２１ａ，２１ｂの制動部材としてはステンレス鋼ＳＵＳ３０３製の外径φ１５ｍｍ、長さ１５ｍｍの円筒を用いた。この制動部材の内腔に管１０１ａを挿入し、接着固定して制動管部２１ａ，２１ｂを構成した。２つの制動管部２１ａ，２１ｂで挟まれた管１０１ａ、すなわち、振動管部１１の長さは１５０ｍｍであった。端部管部４１ａ，４１ｂの長さはそれぞれ１０ｍｍであった。端部管部４１ａ，４１ｂは管１０１ａの両端によって形成されてるので、管１０１ａと同じく石英ガラス製、外径φ３ｍｍ、内径φ１．５ｍｍであった。圧電素子３１ａ，３１ｂとしては一般に圧電ブザー用と普及している圧電素子を用いた。圧電セラミックスの外径φ２０ｍｍ、厚み０．２４ｍｍ、金属（黄銅）板の外径φ２７ｍｍ、厚み０．３ｍｍとし、振動管部１１上に接着固定した。

振動管部１１の材質、すなわち、管１０１ａの材質である石英ガラスの音響インピーダンス（Ｚ_Ｖ）は１２．７×１０^６ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）であった。なお、振動部材１１は単一の材質（石英ガラス）によって構成されているので、材質の音響インピーダンスの平均は材質の音響インピーダンスに等しい。制動管部２１ａ，２１ｂは、管路を構成する管部１０１ａの材質（石英ガラス）の音響インピーダンスは１２．７×１０^６ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）であり、制動部材を構成する材質のステンレス鋼ＳＵＳ３０３の音響インピーダンスは３８．８×１０^６ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）であり、これらの音響インピーダンスの平均（Ｚ_Ｂ）は２５．７５×１０^６ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）であった。

図１５の振動変位図（有限要素法ＦＥＭ解析による変位図）で示すように、振動管部１１は管路軸を中心に回転運動する。これを受け、振動管部１１内の流体も回転運動し攪拌される。振動管部１１に比べると、制動管部２１ａ，２１ｂはほとんど動かず、ゆえに制動管部２１ａ，２１ｂから外側に突き出ている端部管部４１ａ，４１ｂもほとんど動かないことがわかった。従って、端部管部４１ａ，４１ｂを安定な保持部として利用することができる。

このように振動が特定の領域に閉じ込められる理由は、振動管部１１と制動管部２１ａ，２１ｂの間で振動波の反射が働いていることによる。このＦＥＭにおいて、振動管部１１、制動管部２１ａ，２１ｂ、ともに機械的減衰の因子は入れていない。したがって、振動管部１１と比較して制動管部２１ａ，２１ｂと端部管部４１ａ，４１ｂがほとんど動かないことは、振動エネルギーを熱エネルギーとして吸収する、一般のダンパーの効果によるものではない。異なる構成材の界面で振動波が反射し、伝達振動が小さくなる、という現象である。

また、このＦＥＭ解析では、解析モデルの外周すべてを自由端条件としている。拘束条件は入れていない。したがって、振動が静止している部位は、拘束によるものでなく、このような適切な構成においては、自由振動状態であっても静止領域をつくりだせることを示している。

＜実施例２＞
図３に示す第２実施形態の振動流路装置２において、管部１０２の全長は２００ｍｍとした。主振動管部１２１としては外径φ３ｍｍ、内径φ１．５ｍｍ、長さ１５０ｍｍの石英ガラス製の円筒を用いた。副振動管部１２２ａ，１２２ｂとしては、それぞれ、有機ケイ素化合物（シリコーン樹脂）、外径φ４ｍｍ、内径φ３ｍｍ、長さ１５ｍｍ（このうち、一方の端部から５ｍｍは主振動管部１２１と重なり、他方の端部から５ｍｍは制動管部２３，２４と重なる。）の管を用いた。制動管部２２ａ，２２ｂとしては石英ガラス製、外径φ３ｍｍ、内径φ１．５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円筒を用いた。圧電素子３１ａ，３２ｂとしては一般に圧電ブザー用と普及している圧電素子を用いた。圧電セラミックスの外径φ２０ｍｍ、厚み０．２４ｍｍ、金属（黄銅）板の外径φ２７ｍｍ、厚み０．３ｍｍとし、主振動管部１２１上に接着固定した。

音響あるいは振動波の反射現象は、素材の音響インピーダンスの異なる境界で生じ、音響インピーダンスの差が大きいほど反射しやすいことは知られている。これはそれを積極的に利用した例である。

主振動管部１２１を構成する材質である石英ガラスの音響インピーダンス（Ｚ_Ｖ１）は１２．７×１０^６ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）であった。副振動管部１２２ａ，１２２ｂを構成する材質であるシリコーン樹脂の音響インピーダンス（Ｚ_Ｖ２）は０．０５×１０^６ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）であった。制動管部２２ａ，２２ｂを構成する材質である石英ガラスの音響インピーダンスは１２．７×１０^６ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）であった。なお、主振動部材１２１、副振動部材１２２ａ，１２２ｂ、制動管部２２ａ，２２ｂはそれぞれ単一の材質によって構成されているので、材質の音響インピーダンスの平均は材質の音響インピーダンスに等しい。

図１６の振動変位図（有限要素法ＦＥＭ解析による変位図）で示すように、副振動管１２２ａ，１２２ｂの素材の音響インピーダンスを小さくすることで、副振動管１２２ａ，１２２ｂと制動管部２２ａ，２２ｂとの間で反射を生じやすくさせた。副振動管１２２ａ，１２２ｂは、主振動管部１２１の振動を受けてともに振動（ここでは回転運動を）した。しかし、反射作用により、制動管部２２ａ，２２ｂはあまり動かなかった。ゆえに制動管部２２ａ，２２ｂを安定な保持部として用いることができる。

副振動管部１２２ａ，１２２ｂを構成する材質としては、シリコーン樹脂の他に、限定ではなく、ＰＴＦＥ（音響インピーダンスは１．０×１０^６ｋｇ／（ｍ^２・ｓ））を用いることもできる。また、制動管部２２ａ，２２ｂを構成する材質として、石英ガラスの代わりにステンレス鋼ＳＵＳ３０３（音響インピーダンスは３８．８×１０^６ｋｇ／（ｍ^２・ｓ））を用いることができる。主振動管部１２１の材質として石英ガラス、副振動管部１２２ａ，１２２ｂの材質としてシリコーン樹脂、制動管部２２ａ，２２ｂの材質としてステンレス鋼ＳＵＳ３０３を用いることによって、副振動管部１２２ａ，１２２ｂと制動管部２２ａ，２２ｂとの間でより効果的に振動波を反射させ、振動の漏洩を防ぐことができる。

＜実施例３＞
図４に示す第３実施形態の振動流路装置３において、管部１０３の管路を形成する管１０３ａとして全長２１０ｍｍ、外径φ３ｍｍ、内径φ１．５ｍｍの石英ガラス製の円筒を用いた。制動管部２３ａ，２３ｂの制動部材としてはそれぞれステンレス鋼ＳＵＳ３０３製の外径φ１５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円筒を用いた。この制動部材の内腔に管１０３ａを挿入し、接着固定して制動管部２３ａ，２３ｂを構成した。２つの制動管部２３ａ，２３ｂで挟まれた管１０３ａ、すなわち、振動管部１３の長さは１５０ｍｍであった。端部管部４３ａ，４３ｂの長さはそれぞれ１０ｍｍであった。端部管部４３ａ，４３ｂは管１０３ａの両端によって形成されてるので、管１０３ａと同じく石英ガラス製、外径φ３ｍｍ、内径φ１．５ｍｍであった。圧電素子３３としては一般に圧電ブザー用と普及している圧電素子を用いた。圧電セラミックスの外径φ２０ｍｍ、厚み０．２４ｍｍ、金属（黄銅）板の外径φ２７ｍｍ、厚み０．３ｍｍとし、振動管部１３上に接着固定した。各材質の音響インピーダンスは実施例１～２と同じであった。

図１７の振動変位図（有限要素法ＦＥＭ解析による変位図）で示すように、単一の圧電素子３３しか備えない場合でも、振動管部１３は管路軸を中心に振動した。ただし、実施例１，２のように回転運動ではなく、圧電素子３３の駆動方向の往復運動であった。これを受け、振動管部１３内の流体も往復運動し攪拌される。振動管部１３に比べると、制動管部２３ａ，２３ｂはほとんど動かず、ゆえに制動管部２３ａ，２３ｂから外側に突き出ている端部管部４３ａ，４３ｂもほとんど動かなかった。従って、端部管部４３ａ，４３ｂを安定な保持部として利用することができる。

＜実施例４＞
図５，６に示す第４実施形態の振動流路装置４において、管部１０４の管路を形成する管１０４ａとして全長２１０ｍｍ、外径φ３ｍｍ、内径φ１．５ｍｍの石英ガラス製の円筒を用いた。制動管部２４ａ，２４ｂの制動部材としてはそれぞれステンレス鋼ＳＵＳ３０３製の外径φ１５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円筒を用いた。この制動部材の内腔に管１０４ａを挿入し、接着固定して制動管部２４ａ，２４ｂを構成した。制動管部２４ａ，２４ｂで挟まれた管１０４ａ、すなわち、振動管部１４の長さは１５０ｍｍであった。端部管部４４ａ，４４ｂの長さはそれぞれ１０ｍｍであった。端部管部４４ａ，４４ｂは管１０４ａの両端によって形成されてるので、石英ガラス製、外径φ３ｍｍ、内径φ１．５ｍｍであった。圧電素子３４ａ，３４ｂはそれぞれ、圧電セラミックスの長さ３０ｍｍ、幅３ｍｍ、厚み０．４ｍｍとし、振動管部１４上に接着固定した。各材質の音響インピーダンスは実施例１～２と同じであった。

＜実施例５＞
図７に示す第５実施形態の振動流路装置において、管部１０５の管路を形成する管１０５ａとして全長１３０ｍｍ、□３×３ｍｍ、内穴□２×２ｍｍの石英ガラス製の角筒を用いた。制動管部２５ａ，２５ｂの制動部材としてはそれぞれ□１２×１２ｍｍ、長さ２５ｍｍの石英ガラス製の角筒を用いた。この制動部材の内腔に管１０５ａを挿入し、接着固定して制動管部２５ａ，２５ｂを構成した。２つの制動管部２５ａ，２５ｂで挟まれた管１０５ａ、すなわち、振動管部１５の長さは８０ｍｍであった。圧電素子３５ａ，３５ｂはそれぞれ、圧電セラミックスの長さ３０ｍｍ、幅３ｍｍ、厚み０．５ｍｍとし、振動管部１５上に接着固定した。各材質の音響インピーダンスは実施例１～２と同じであった。

図１８の振動変位図（有限要素法ＦＥＭ解析による変位図）で示すように、管部１０５の管路を形成する管１０５ａが円筒ではなく角筒であっても、振動管部１５は管路軸を中心に振動した。これを受け、振動管部１５内の流体も往復運動し攪拌される。振動管部１５に比べると、制動管部２５ａ，２５ｂはほとんど動かない。従って、制動管部２５ａ，２５ｂを安定な保持部として利用することができる。

＜実施例６＞
図８に示す第６実施形態の振動流路装置６において、管部１０６の全長は２００ｍｍとした。主振動管部１６１としては外径φ３．５ｍｍ、内径φ１．５ｍｍ、凹凸部（らせん部）長さ９０ｍｍの石英ガラス製の円筒を用いた。副振動管部１６２ａ，１６２ｂとしては、それぞれ、有機ケイ素化合物（シリコーン樹脂）、外径φ４ｍｍ、内径φ３ｍｍ、長さ１５ｍｍ（このうち、一方の端部から５ｍｍは主振動管部１６１と重なり、他方の端部から５ｍｍは制動管部２６ａ，２６ｂと重なる。）の管を用いた。制動管部２６ａ，２６ｂとしては石英ガラス製、外径φ３ｍｍ、内径φ１．５ｍｍ、長さ２０ｍｍの円筒を用いた。圧電素子３６ａ，３６ｂとしては一般に圧電ブザー用と普及している圧電素子を用いた。圧電セラミックスの外径φ２０ｍｍ、厚み０．２４ｍｍ、金属（黄銅）板の外径φ２７ｍｍ、厚み０．３ｍｍとし、主振動管部１６１上に接着固定した。各材質の音響インピーダンスは実施例１～２と同じであった。

主振動管部１６１は石英ガラス、副振動管部１６２ａ，１６２ｂは有機ケイ素化合物であるシリコーン樹脂、制動管部２６ａ，２６ｂは石英ガラスとした。主振動管部１６１はらせん形状に形成されている。これによって、流体に対して、攪拌とともに、管路の軸方向へ動きにも、送流あるいは反送流として作用させることができる。主振動管部１６１はこの実施例は螺旋形状であるが、内壁にジグザグ形状、連続的あるいは断続的な凹凸形状を形成させればよく、外側から窪み加工してもよい。

＜実施例７＞
図９に示す第７実施形態の振動流路装置７において、管部１０７の管路を形成する管１０７ａとして全長２００ｍｍ、外径φ３ｍｍ、内径φ１．５ｍｍのＰＴＦＥ製の円筒を用いた。制動管部２７ａ，２７ｂの制動部材としては圧電素子３７ａ，３７ｂの接合部材３７１ａ，３７１ｂの黄銅製の外径φ１５ｍｍ、長さ１５ｍｍのＵ字形状の部材を用いた。接着剤を塗布したこのＵ字形状の部分に管１０７ａを挿入し、加圧接着して制動管部２７ａ，２７ｂを構成した。制動管部２７ａ，２７ｂで挟まれた管１０７ａ、すなわち、振動管部１７の長さは１５０ｍｍであった。端部管部４７ａ，４７ｂの長さはそれぞれ１０ｍｍであった。端部管部４７ａ，４７ｂは管１０７ａの両端によって形成されてるので、管１０７ａと同じくＰＴＦＥ製、外径φ３ｍｍ、内径φ１．５ｍｍであった。圧電素子３７ａ，３７ｂとしては一般に圧電ブザー用と普及している圧電素子を用いた。圧電セラミックスの外径φ２０ｍｍ、厚み０．２４ｍｍ、金属（黄銅）板の外径φ２７ｍｍ、厚み０．３ｍｍとし、接合部材３７１ａ，３７１ｂ上に接着固定した。

振動管部１７の材質、すなわち、管１０７ａの材質であるＰＴＦＥの音響インピーダンス（Ｚ_Ｖ）は１．０×１０^６ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）であった。なお、振動管部１７は単一の材質（ＰＴＦＥ）によって構成されているので、材質の音響インピーダンスの平均は材質の音響インピーダンスに等しい。制動管部２７ａ，２７ｂは、管路を構成する管部１０７ａの材質（ＰＴＦＥ）の音響インピーダンスは１．０×１０^６ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）であり、圧電素子３７ａ，３７ｂの接合部３７１ａ，３７１ｂを構成する材質の黄銅の音響インピーダンスは２６．７×１０^６ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）であり、これらの音響インピーダンスの平均（Ｚ_Ｂ）は１３．８５×１０^６ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）であった。

図１９の振動変位図（有限要素法ＦＥＭ解析による変位図）で示すように、振動管部１７は管路軸を中心に回転運動する。これを受け、振動管部１７内の流体も回転運動し攪拌される。振動管部１７に比べると、制動管部２７ａ，２７ｂはほとんど動かず、ゆえに制動管部２７ａ，２７ｂから外側に突き出ている端部管部４７ａ，４７ｂもほとんど動かないことがわかった。従って、端部管部４７ａ，４７ｂを安定な保持部として利用することができる。

このように振動が特定の領域に閉じ込められる理由は、振動管部と制動管部の間で振動波の反射が働いていることによる。このＦＥＭにおいて、振動管部、制動管部ともに機械的減衰の因子は入れていない。したがって、振動管部と比較して制動管部と端部管部がほとんど動かないことは、振動エネルギーを熱エネルギーとして吸収する、一般のダンパーの効果によるものではない。異なる構成材の界面で振動波が反射し、伝達振動が小さくなる、という現象である。

また、このＦＥＭ解析では、解析モデルの外周すべてを自由端条件としている。拘束条件は入れていない。したがって、振動が静止している部位は、拘束によるものでなく、このような適切な構成においては、自由振動状態であっても静止領域をつくりだせることを示している。

＜比較例＞
図２０に示すように、比較例の振動流路装置９０は、管部９１に第１の圧電素子９３ａと第２の圧電素子９３ｂが配置されている。管部９１には制動管部が備えられていない。

図２１に示すように、管部９１は全体が管路軸を中心に回転運動し、大きく変位し、安定的に保持できる部位が存在しなかった。

＜実施例１と従来例（図２０）の実験比較＞
実施例１で、管路端部を強固に保持した実験では、圧電素子に１０Ｖｐ－ｐ（３，９３０Ｈｚ）の印加で流体（φ１５０μｍの石英ガラスビーズ）の移動を確認した。比較例、すなわち反射作用を考慮した制動管部を備えない図２０の構造で、管路端部を強固に保持した場合、２０Ｖｐ－ｐ（４，１７０Ｈｚ）の印加でも流体が移動することはなかった。

＜圧電素子に印加する交流電圧の周波数＞
実施例１の第１実施形態の振動流路装置１において、一例として、第１の圧電素子３１ａに印加される交流電圧の周波数を３，５００Ｈｚ、第２の圧電素子３１ｂに印加される交流電圧の周波数を３，５１０Ｈｚとした。周波数差は１０Ｈｚ、すなわち、第１の圧電素子３１ａに印加される交流電圧の周波数の約０．３％の周波数差で第２の圧電素子３１ｂに交流電圧を印加した。印加電圧は、両圧電素子とも１５Ｖｐ－ｐにした。内部の流体には良好な正逆回転の繰り返し現象が得られ、効果的な攪拌を実現できた。また、周波数差を変化させて同様に実験し、０．０１％～１０％の周波数差で効果的な攪拌現象が得られることが確認された。

以上に開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変形を含むものである。

１，２，３，４，５，６，７，８ａ，８ｂ，８ｃ，９：振動流路装置
１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１９：振動管部
１２１，１６１：主振動管部
１２２ａ，１２２ｂ，１６２ａ，１６２ｂ：副振動管部
２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂ：制動管部
３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３，３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂ，３８ａ，３８ｂ，３９ａ，３９ｂ：圧電素子
５８ａ，５８ｂ，５８ｃ，５９：内蔵棒
１８１ａ，１８１ｂ，１８１ｃ：くぼみ

Claims (11)

1. 振動管部と、流路方向に沿って前記振動管部に隣接する制動管部とを含む、流体を流すための管部と、
   前記振動管部を振動させる圧電素子とを備え、
   前記圧電素子は前記振動管部上に固定されており、
   前記制動管部は、前記振動管部から前記制動管部に向かう振動波の少なくとも一部を前記振動管部に向かって反射させるように構成されており、
   前記振動管部の管路内に収容される撹拌子をさらに備え、
   前記振動管部は、第１の内径を有する少なくとも２つの第１の部分と、２つの前記第１の部分の間に配置されて第２の内径を有する第２の部分とを含み、
   前記第１の内径の少なくとも一部は前記第２の内径よりも小さく、
   前記撹拌子の外径は前記第１の内径の最小値より大きく、前記撹拌子は前記第２の部分において前記振動管部の管路内に収容されている、振動流路装置。
2. 前記振動管部を構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｖであり、
   前記制動管部を構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｂであり、
   Ｚ_Ｂ＞Ｚ_Ｖである、請求項１に記載の振動流路装置。
3. 前記制動管部の管路軸に垂直な方向に沿った外径寸法は、前記振動管部の管路軸に垂直な方向に沿った外径寸法より大きい、請求項１に記載の振動流路装置。
4. 前記制動管部の管路軸に沿った単位長さあたりの質量は、前記振動管部の管路軸に沿った単位長さあたりの質量より大きい、請求項１に記載の振動流路装置。
5. 前記振動管部は、第１の振動管部と、前記第１の振動管部とは異なる材質によって形成されて流路方向に沿って前記第１の振動管部に隣接する第２の振動管部とを含み、
   前記第１の振動管部を構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｖ１であり、
   前記第２の振動管部を構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｖ２であり、
   前記第２の振動管部は流路方向に沿って前記制動管部に隣接し、
   前記制動管部を構成する材質の音響インピーダンスの平均はＺ_Ｂであり、
   Ｚ_Ｖ１＞Ｚ_Ｖ２、かつ、Ｚ_Ｂ＞Ｚ_Ｖ２である、請求項１に記載の振動流路装置。
6. 前記第２の振動管部を構成する材質は高分子材料である、請求項５に記載の振動流路装置。
7. 前記制動管部は、流路方向に沿って前記振動管部の一方の端部に隣接する第１の制動管部と、流路方向に沿って前記振動管部の他方の端部に隣接する第２の制動管部とを含む、請求項１に記載の振動流路装置。
8. 第１の圧電素子と第２の圧電素子を備え、
   前記第１の圧電素子は、前記振動管部の管路軸に対して垂直な第１の方向に屈曲振動を励起させるように配置され、
   前記第２の圧電素子は、前記振動管部の管路軸に対して垂直な、前記第１の方向とは異なる第２の方向に屈曲運動を励起させるように配置されている、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の振動流路装置。
9. 前記振動管部を構成する材質は石英ガラスである、請求項１に記載の振動流路装置。
10. 前記振動管部は、連続的または断続的な凹凸形状が形成された内壁面を有する、請求項１に記載の振動流路装置。
11. 前記第１の方向と前記第２の方向は略直交しており、
    前記第１の圧電素子に印加される交流電圧の周波数と前記第２の圧電素子に印加される交流電圧の周波数は異なっている、請求項８に記載の振動流路装置。

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