(57)【要約】【課題】簡易な構成で物質を分離することができる物質分離器を提供する。【解決手段】物質分離器１は、マイクロチップ１０内に、サイクロン室３と、サイクロン室３に粒子状の物質を含む物質を含む気体を流入させる流入通路２と、サイクロン室３から比重が所定範囲外の物質を含む気体を流出させる流出通路４を備えている。サイクロン室３は、側面に流入通路２と連通する第１の開口３ｃを有し、流出通路４と連通する第２の開口３ｄを有する円筒部３ａと、円筒部３ａの下側に接続され、底面を有し、下方へいくほど窄まる円錐部３ｂとからなる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロチップに設けられたサイクロン室に粒子状の物質を含む気体を流入させて、比重が所定範囲の前記物質を分離する物質分離器であって、
前記サイクロン室に前記気体を流入させる流入通路と、
前記サイクロン室から前記所定範囲外の前記物質を含む気体を流出させる流出通路と、を備え、
前記サイクロン室は、側面に前記流入通路と連通する第１の開口を有し、前記流出通路と連通する第２の開口を有する円筒部と、前記円筒部の下側に接続され、底面を有し、下方へいくほど窄まる円錐部とからなることを特徴とする物質分離器。
【請求項２】
前記流入通路は直線状であり、前記流入通路の前記サイクロン室と反対側の端部は、前記マイクロチップの側壁に設けられた流入開口であることを特徴とする請求項１に記載の物質分離器。
【請求項３】
前記流入通路は、前記サイクロン室の前記円筒部の接線方向に配設されていることを特徴とする請求項２に記載の物質分離器。
【請求項４】
前記サイクロン室から前記所定範囲外の前記物質を含む気体を吸引する吸引装置を備え、
前記流出通路の前記サイクロン室と反対側の端部は、前記マイクロチップに設けられた流出開口であり、前記マイクロチップの外部で前記吸引装置と接続されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の物質分離器。
【請求項５】
前記サイクロン室の前記円錐部に、比重が所定範囲の前記物質を取り出す取出通路が設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の物質分離器。
【請求項６】
前記マイクロチップは、前記サイクロン室と離間した位置に、取り出された比重が所定範囲の前記物質を貯留する貯留室を備え、
前記取出通路は、一端が前記円錐部の前記底面に設けられた第３の開口と連通し、他端が前記貯留室に設けられた開口と連通していることを特徴とする請求項５に記載の物質分離器。
【請求項７】
前記サイクロン室の前記円錐部の最大直径Ｄは、前記流入通路の断面積をＳとしたとき、下記の式（１）で求められる値よりも大きいことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の物質分離器。
Ｄ＝６．６７*Ｓ0.50  ・・・式（１）
【請求項８】
前記サイクロン室の前記底面から前記流入通路の中心軸までの距離Ｈは、前記流入通路の断面積をＳとしたとき、下記の式（２）で求められる値よりも大きいことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の物質分離器。
Ｈ＝１２．５３*Ｓ0.53  ・・・式（２）
【請求項９】
前記サイクロン室の上面から前記底面までの距離Ｌは、前記流入通路の断面積をＳとしたとき、下記の式（３）で求められる値よりも大きいことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の物質分離器。
Ｌ＝６．９３*Ｓ0.55  ・・・式（３）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査等のため、気体に含まれる一部の物質を分離する物質分離器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、微細加工技術を利用して基板に微細な流路を形成し、流路を流れる流体の分析、検査等を行うマイクロ分析チップ、マイクロ検査チップ、μ-TAS（Micro Total Analysis Systems）等のマイクロチップが実用化されており、チップ以外でもサンプリングキット等の各種の応用事例が知られている。
【０００３】
また、粒子をその大きさで分離するマイクロチップ型の分級装置も知られている。例えば、下記の特許文献１の装置は、流路構造の一方の端が２つの分岐となっており、もう一方の端は５つの分岐となっている。
【０００４】
第１の分岐側から粒子を含む流体を導入し、第２の分岐側から粒子を含まない流体を導入し、導入する流体の流量を調節する事により、合流後の直線部分において流れと垂直方向における粒子の位置を粒子の大きさによって制御する。出口分岐の数は多ければ多いほど精密な分級が可能となる（段落００３７，００３９、図１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２６３６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の装置は、マイクロチップ内に幅がミクロン単位の流路を多数形成する必要があるため、製造コストがかかるという問題があった。また、装置を再度利用する場合には、流路に残存する試料の除去も必要となり、再度の利用に手間がかかっていた。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で物質を分離することができる物質分離器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の物質分離器は、マイクロチップに設けられたサイクロン室に粒子状の物質を含む気体を流入させて、比重が所定範囲の前記物質を分離する物質分離器であって、前記サイクロン室に前記気体を流入させる流入通路と、前記サイクロン室から前記所定範囲外の前記物質を含む気体を流出させる流出通路と、を備え、前記サイクロン室は、側面に前記流入通路と連通する第１の開口を有し、前記流出通路と連通する第２の開口を有する円筒部と、前記円筒部の下側に接続され、底面を有し、下方へいくほど窄まる円錐部とからなることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、流入通路からサイクロン室に粒子状の物質を含む気体を流入させて、サイクロン室にて比重が所定範囲に入る物質を分離する。ここで、サイクロン室は、円筒部と円錐部とからなる。円筒部の第１の開口からサイクロン室に入った気体は、円筒部の内面に沿って回転する旋回流となり、遠心力により前記物質が内壁に衝突して失速し、重力で下方の円錐部に落下していく。
【００１０】
また、円錐部に落下しない所定範囲外の物質を含む気体は、円筒部の第２に開口から流出通路を通過してマイクロチップの外部に排出される。このように、マイクロチップに設けられたサイクロン構造により、容易に物質を分離することができる。
【００１１】
本発明の物質分離器において、前記流入通路は直線状であり、前記流入通路の前記サイクロン室と反対側の端部は、前記マイクロチップの側壁に設けられた流入開口であることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、粒子状の物質を含む気体は、マイクロチップの側壁に設けられた流入開口から流入通路を通じてマイクロチップの内部に流入する。このとき、流入通路が直線状であることにより、前記気体は、ある程度の勢いを保持してサイクロン室に流入する。サイクロン室内部での前記気体の旋回流を効果的に生じさせることで、遠心力が高まり、前記物質が落下し易くなるので、物質の分離を促進することができる。
【００１３】
また、本発明の物質分離器において、前記流入通路は、前記サイクロン室の前記円筒部の接線方向に配設されていることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、サイクロン室に流入した気体が円筒部の内面に沿って移動し易くなるので、前記気体の旋回流を効果的に生じさせて、物質の分離を促進することができる。
【００１５】
また、本発明の物質分離器において、前記サイクロン室から前記所定範囲外の前記物質を含む気体を吸引する吸引装置を備え、前記流出通路の前記サイクロン室と反対側の端部は、前記マイクロチップに設けられた流出開口であり、前記マイクロチップの外部で前記吸引装置と接続されていることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、流出通路のサイクロン室と反対側の端部がマイクロチップの流出開口となっており、その先に吸引装置を設ける。比重が所定範囲の物質はサイクロン室に残留するが、前記所定範囲外の前記物質を含む気体は、吸引装置により吸引される。これにより、効率良く物質を分離することができる。
【００１７】
また、本発明の物質分離器において、前記サイクロン室の前記円錐部に、比重が所定範囲の前記物質を取り出す取出通路が設けられていることが好ましい。
【００１８】
比重が所定範囲の物質は、サイクロン室の円筒部から円錐部に落下して堆積する。従って、サイクロン室の円錐部に取出通路を設けることで前記物質を取り出し、容易に検査等を行うことができる。
【００１９】
また、本発明の物質分離器において、前記マイクロチップは、前記サイクロン室と離間した位置に、取り出された前記物質を貯留する貯留室を備え、前記取出通路は、一端が前記円錐部の前記底面に設けられた第３の開口と連通し、他端が前記貯留室に設けられた開口と連通していることが好ましい。
【００２０】
取出通路の一端は、サイクロン室（円錐部）の第３の開口と連通しており、底面に堆積した比重が所定範囲の物質を取り出すことができる。また、取出通路の他端は、サイクロン室と離間した位置に設けられた貯留室の開口と連通しているため、前記物質を貯留室に移動させて検査等を行うことができる。
【００２１】
また、本発明の物質分離器において、前記サイクロン室の前記円錐部の最大直径Ｄは、前記流入通路の断面積をＳとしたとき、下記の式（１）で求められる値よりも大きいことが好ましい。
Ｄ＝６．６７*Ｓ0.50・・・式（１）
【００２２】
流入通路の断面積Ｓとサイクロン室の円錐部の最大直径Ｄが上記条件を満たすとき、物質の分離が精度良く行われる。
【００２３】
また、本発明の物質分離器において、前記サイクロン室の前記底面から前記流入通路の中心軸までの距離Ｈは、前記流入通路の断面積をＳとしたとき、下記の式（２）で求められる値よりも大きいことが好ましい。
Ｈ＝１２．５３*Ｓ0.53・・・式（２）
【００２４】
流入通路の断面積Ｓとサイクロン室の底面から流入通路の中心軸までの距離Ｈが上記条件を満たすとき、物質の分離が精度良く行われる。
【００２５】
また、本発明の物質分離器において、前記サイクロン室の上面から前記底面までの距離Ｌは、前記流入通路の断面積をＳとしたとき、下記の式（３）で求められる値よりも大きいことが好ましい。
【００２６】
流入通路の断面積Ｓとサイクロン室の上面から底面までの距離Ｌが上記条件を満たすとき、物質の分離が精度良く行われる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態の物質分離器の概略図。
【図２Ａ】図１のマイクロチップのII-II断面図。
【図２Ｂ】図１のマイクロチップの上面図。
【図３】サイクロン室の構造の詳細を説明する図。
【図４】サイクロン室の最適なサイズについてのシミュレーション結果を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照しながら本発明の物質分離器の実施形態を説明する。
【００２９】
図１は、本発明の実施形態に係る物質分離器の斜視図を示している。
【００３０】
この物質分離器１は、例えば、厚みが１〜５ｍｍ程度の透明な板部材を複数枚重ねた構造のマイクロチップ１０と、吸引装置２０とで構成され、粒子状の物質（直径１０〜２０μｍ）を含む気体をマイクロチップ１０内に流入させて、比重が所定範囲（目的に依存する）の物質を分離することが可能とされたものである。
【００３１】
ここで、比重は、（重量）／（体積）で与えられる。今回分離の対象としている物質を例示すると、ヒノキ花粉（６５０ｋｇ／ｍ3）、スギ花粉（７５０ｋｇ／ｍ3）、分生胞子（１１４１ｋｇ／ｍ3）等がある。従って、物質分離器１で分離可能な好ましい比重の範囲は５００〜２，０００ｋｇ／ｍ3であり、より好ましい比重の範囲は５００〜１，２００ｋｇ／ｍ3である。
【００３２】
気体中に含まれる粒子状の物質は、特に限定されないが、平均粒径が、好ましくは１〜５００μｍ、より好ましくは１〜１５０μｍの物質が挙げられる。ここで平均粒径とは、レーザ回折式粒度分布測定装置によって測定されたメディアン径等の数値を意味する。このような粒子状の物質としては、上述したように、空気中に浮遊する胞子、花粉等が挙げられる。
【００３３】
まず、マイクロチップ１０は、その内部にサイクロン室３が設けられている。検査者が流入通路２から粒子状の物質を含む気体をサイクロン室３に流入させると、サイクロン室３で気体の旋回流が生じ、遠心力によって粒子状の物質がサイクロン室３の内壁に衝突して流速が低下し、比較的比重の大きい物質（以下、物質Ｘという）のみが重力（自重）により下方に落下し、分離される。なお、流入通路２は、マイクロチップ１０の側壁に設けられた流入開口１０ａと連通している。
【００３４】
また、物質Ｘが除かれた気体は、サイクロン室３の流出通路４からマイクロチップ１０の外部へ流出する。流出通路４は、マイクロチップ１０の側壁（流入開口１０ａと対向する壁面）に設けられた流出開口１０ｂと連通している。さらに、流出開口１０ｂは、マイクロチップ１０の外部で吸引装置２０と接続されているため、物質Ｘが除かれた気体を迅速に吸引することができる。
【００３５】
マイクロチップ１０は、その内部のサイクロン室３と離間した位置に貯留室５が設けられている。そして、サイクロン室３（底面側）と貯留室５とは、取出通路６で接続されている。このため、サイクロン室３の底面に落下、堆積した物質Ｘを、取出通路６を通じて貯留室５に移動させ、必要に応じて５から物質Ｘを取り出すことができる。
【００３６】
次に、図２Ａ、図２Ｂを参照して、物質分離器１を構成するマイクロチップ１０の詳細を説明する。
【００３７】
図２Ａは、図１のマイクロチップ１０のII-II断面図であり、図２Ｂは、マイクロチップ１０の上面図である。なお、本実施形態のマイクロチップ１０は、５枚の板部材を重ねて構成される。
【００３８】
図２Ａに示すように、サイクロン室３は、円筒部３ａと、円筒部３ａの下側に接続され、下方へいくほど窄まる円錐部３ｂとで構成されている。円筒部３ａは、その外周部に流入通路２と連通する第１の開口３ｃを有し（図２Ｂ参照）、上面部に流出通路４と連通する第２の開口３ｄを有している。一方、円錐部３ｂは、その底面部に取出通路６と連通する第３の開口３ｅが設けられている。
【００３９】
図２Ｂに示すように、流入通路２は直線状で、サイクロン室３（円筒部３ａ）の接線方向に配設されている。このような構成とすることで、円筒部３ａから流入した気体が、ある程度の勢いを保持して円筒部３ａに流入し、円筒部３ａの内面に沿って移動し、効果的に旋回流を生じさせる。そして、粒子状の物質を含む気体をより高速で回転させて、物質の分離を促進することができる。
【００４０】
また、貯留室５は、その下方に取出通路６と連通する開口５ａを有している。流入通路２、サイクロン室３、流出通路４、貯留室５及び取出通路６は、マイクロチップ１０を構成する最下層の板部材を除く４枚の板部材を組み合せて構成され、貯留室５は、マイクロチップ１０の上面側から物質Ｘを取り出せるように上面が開口している。
【００４１】
次に、図３を参照して、サイクロン室の構造の詳細を説明する。
【００４２】
図３は、マイクロチップ１０（内部構造）及び吸引装置２０を示している。粒子状の物質を含む気体は、流入通路２を通じて第１の開口３ｃからサイクロン室３に流入する（速度３〜１７ｍ／ｓ）。ここで、流入通路２の断面積をＳ（ｍｍ2）とする。なお、断面積Ｓは、１０，０００（ｍｍ2）以下であることが好ましい。
【００４３】
その後、粒子状の物質を含む気体は、サイクロン室３の円筒部３ａ内を回転する。円筒部３ａ内の気体に含まれる粒子状の物質のうち、比較的比重の大きい物質が自重により落下していくことで物質Ｘが分離され、円錐部３ｂの底面に堆積する。ここで、サイクロン室３（円錐部３ｂ）の最大直径をＤ（ｍｍ）、円錐部３ｂの底面から流入通路２（中心軸）までの距離をＨ（ｍｍ）とする。
【００４４】
また、円筒部３ａの上面部中央には、流出通路４と連通する第２の開口３ｄがあり、流出通路４の他端は、吸引装置２０と接続されている。このため、物質Ｘを取り除いた気体を効率良くマイクロチップ１０の外部に排出することができる。ここで、サイクロン室３の構造全体の高さをＬ（ｍｍ）とする。なお、第２の開口３ｄの位置は円筒部３ａの上面部に限られず、流出通路４の断面積は流入通路２の断面積Ｓと同程度である。
【００４５】
円錐部３ｂの底面（半径が１．０ｍｍ以上）に堆積した物質Ｘは、円錐部３ｂの第３の開口３ｅから取出通路６を通じて貯留室５に移動する。例えば、貯留室５から液体を注入して物質Ｘを捕捉し、取出通路６を通じて貯留室５に戻すようにしてもよい。
【００４６】
最後に、図４を参照して、物質の分離が効率良く行われるサイクロン室のサイズを説明する。今回、プロットしたデータは、最大直径Ｄ等の各種サイズを変更して、物質の分離が行えるか否かを判定したシミュレーション結果に基づいている。
【００４７】
まず、流入通路２の断面積Ｓ（ｍｍ2）と、サイクロン室３（円錐部３ｂ）の最大直径Ｄ（ｍｍ）との関係を調べて、物質の分離が行える条件を図中の丸印でプロットした。そして、丸印を直線で結び、以下の関係式を得た。
Ｄ＝６．６７*Ｓ0.50  ・・・式（１）
図中の式（１）の直線の上側に位置する条件では、物質の分離が精度良く行われるという結果が得られた。なお、各種サイズのプロットが縦軸方向に並んでいるのは、最大直径Ｄに応じて、同じ比率で距離Ｈや高さＬを変更しているためである。
【００４８】
次に、流入通路２の断面積Ｓ（ｍｍ2）と、サイクロン室３の底面から流入通路２（中心軸）までの距離Ｈ（ｍｍ）との関係を調べて、物質の分離が行える条件を図中の三角印でプロットした。そして、三角印を直線で結び、以下の関係式を得た。
Ｈ＝１２．５３*Ｓ0.53  ・・・式(２)
ここでも、図中の式（２）の直線の上側に位置する条件では、物質の分離が精度良く行われるという結果が得られた。
【００４９】
次に、流入通路２の断面積Ｓ（ｍｍ2）と、サイクロン室３の上面から底面までの距離、すなわち、サイクロン室３の構造全体の高さＬ（ｍｍ）との関係を調べて、物質の分離が行える条件を図中の四角印でプロットした。そして、四角印を直線で結び、以下の関係式を得た。
Ｌ＝６．９３*Ｓ0.55  ・・・式(３)
ここでも、図中の式（３）の直線の上側に位置する条件では、物質の分離が精度良く行われるという結果が得られた。
【００５０】
以上のように、シミュレーションによって、サイクロン室３の最適なサイズを取得することに成功した。上記以外にも、サイクロン室３の円錐部３ｂの底面の直径Ｄ’（ｍｍ）は、以下の関係式
Ｄ’＝Ｄ／２  ・・・式（４）
で求められる値の±２０％の範囲にあると良いことが分かった。
【００５１】
以上から、サイクロン室３の各構造が式（１）〜式（４）の関係式（±２０％）を満たし、且つ気体を通風速度３〜１７（ｍ／ｓ）でサイクロン室３に流入させると、気体がサイクロン室３内を高速で回転し、比較的比重の大きい物質の分離を効率良く行うことができる。
【００５２】
上述の実施形態は、本発明の実施形態の一例に過ぎず、適宜変更が可能である。本発明に係るサイクロン室３等は５枚の板部材で構成されていたが、これに限られず、４枚又は６枚以上で構成してもよい。
【００５３】
また、サイクロン室３に気体を流入させるとき、通風速度を制御可能な噴出装置を用いてもよいし、サイクロン室３の底面から物質Ｘを貯留室５に移動させるために、吸引装置を用いてもよい。
【００５４】
また、物質Ｘは、取出通路６を通じて貯留室５に移動するが、樹脂により形成された通路のため、物質Ｘが通路内に付着することがある。このため、流路内にテフロン（登録商標）等の低摩擦係数部材を使用してもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１  物質分離器
２  流入通路
３  サイクロン室
３ａ  円筒部
３ｂ  円錐部
３ｃ  第１の開口
３ｄ  第２の開口
３ｅ  第３の開口
４  流出通路
５  貯留室
６  取出通路
１０  マイクロチップ
１０ａ  流入開口
１０ｂ  流出開口
２０  吸引装置
【図１】
2020138125.tif 000003
【図２Ａ】
2020138125.tif 000004
【図２Ｂ】
2020138125.tif 000005
【図３】
2020138125.tif 000006
【図４】
2020138125.tif 000007