(57)【要約】【課題】  簡素な構造を有し、かつ、確実にバルブの開閉が行えるマイクロバルブ機構を提供すること。【解決手段】  マイクロ流路５を有し、少なくともマイクロ流路５上部の一部（バルブ領域Ａ）が弾性部材からなる流体素子チップ３と、流体素子チップ３上の弾性部材部に立設された圧力制御ポート２とを備え、圧力制御ポート２を介して圧力を給排することにより開閉を行うマイクロバルブ機構１とした。【選択図】  図１
2010107051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細な流体通路であるマイクロ流路の開閉を行なうマイクロバルブ機構であって、
支持基板と、
前記支持基板上に備えられ、少なくとも前記マイクロ流路上部の一部が弾性部材からなる流体素子チップと、
前記弾性部材に備えられた第１の剛性部材と、
前記第１の剛性部材に立設されたシリンダからなる圧力制御ポートと、
前記圧力制御ポート内に備えられており前記圧力制御ポートの長手方向に移動可能な押圧体とを備え、
前記支持基板は前記弾性部材の前記押圧体が備えられている方向に向かって凸状構造であり前記弾性部材に接触する閉子を備え、前記第１の剛性部材は前記弾性部材の前記押圧体側に前記閉子と前記閉子の隣接部との範囲に渡って備えられ、
前記押圧体が前記第１の剛性部材を押圧することにより前記閉子と向かい合う前記弾性部材の一部が前記閉子から引き離されることによって前記弾性部材と前記閉子との間に隙間が生じ、前記隙間が前記マイクロ流路となることにより前記マイクロ流路が開く開状態と、前記押圧体による前記第１の剛性部材への押圧が解除されることによって前記弾性部材と前記閉子とが密着し、前記マイクロ流路が閉じる閉状態とのいずれかを行うことを特徴とするマイクロバルブ機構。
【請求項２】
前記流体素子チップは、前記閉子に隣接する空隙部を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ機構。
【請求項３】
前記閉子は、熱可塑性樹脂またはガラスからなることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のマイクロバルブ機構。
【請求項４】
前記第１の剛性部材は、金属、熱可塑性樹脂またはガラスからなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のマイクロバルブ機構。
【請求項５】
前記流体素子チップは、前記押圧体により押圧、あるいは押圧を解除することにより変形する部分を除く部分は第２の剛性部材からなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のマイクロバルブ機構。
【請求項６】
前記弾性部材は、シリコン樹脂からなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のマイクロバルブ機構。
【請求項７】
前記弾性部材は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のマイクロバルブ機構。
【請求項８】
前記第２の剛性部材は、熱可塑性樹脂からなることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載のマイクロバルブ機構。
【請求項９】
前記押圧体は、直進型アクチュエータで構成されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のマイクロバルブ機構。
【請求項１０】
前記押圧体は、ガス圧で圧力制御されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のマイクロバルブ機構。
【請求項１１】
前記押圧体は、静水圧で圧力制御されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のマイクロバルブ機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ流体装置に形成されている微細な流体通路（マイクロ流路）を開閉するためのマイクロバルブ機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のマイクロバルブ機構としては、例えば、メンブレンを利用したマイクロバルブ機構がある。
【０００３】
以下、この従来のマイクロバルブ機構について、図２４を参照して説明する。
【０００４】
図２４（ａ）はマイクロバルブ機構１を上方から見た平面図である。また、図２４（ｂ）は図２４（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ閉状態の断面図であり、図２４（ｃ）は図２４（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ開状態の断面図である。マイクロバルブ機構１は、流体素子チップ３と駆動素子チップ１７とメンブレン１８とからなり、マイクロ流路５の途中に設けた弁座１９に可動のメンブレン１８が離接して開閉され、メンブレン１８と弁座１９との離着によって流体のスイッチングを行なう。メンブレン１８は外部から導入される空気圧によって駆動されるので、この空気圧を導入するための駆動用マイクロ流路２０が必要となる。したがって、スイッチングされる流体のマイクロ流路５を有する流体素子チップ３の他にもう一層、駆動用マイクロ流路２０を有する駆動素子チップ１７を製作する（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３０４４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のマイクロバルブ機構では、流体素子チップと駆動素子チップとの多層流路の部材を製作することが必要となるため、部材の数が多くなり、かつ、製作過程が複雑になるため、チップの安価な提供が困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上の問題点に鑑みなされたもので、駆動素子チップを必要としない簡素な構造を有し、かつ、確実にバルブの開閉が行えるマイクロバルブ機構を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は前記課題を解決するため、以下の通りの構成とした。
すなわち、本発明のマイクロバルブ機構は、マイクロ流路を有し、少なくとも該マイクロ流路上部の一部が弾性部材からなる流体素子チップと、該流体素子チップ上の弾性部材部に立設された圧力制御ポートとを備え、該圧力制御ポートを介して圧力を給排することにより開閉を行う構成とした。
【０００９】
本発明は以上の構成とすることによって、前記圧力制御ポートに備えられた押圧体の圧力の給排により前記マイクロ流路の変形が行なえるようになり、該マイクロ流路の開閉が可能となる。
【００１０】
また、本願発明によれば、低荷重でバルブを閉じることができるようするために、変形部における前記流体素子チップ上面に凹部を形成し、該変形部の厚みを薄くする構成が提案される。さらに、前記変形部における前記流体素子チップの前記マイクロ流路側の面には凸部を形成することも提案される。
【００１１】
また、本願発明によれば、確実にバルブの開閉が行えるように、前記変形部における前記マイクロ流路の途上に平面形状が円である円状空隙部を形成することも提案される。ただし、前記変形部における前記マイクロ流路には、１つのチップ上に複数のバルブを配置する場合、バルブの配置を高密度化するために、平面形状が前記マイクロ流路に沿った方向に楕円の長手方向を有する楕円である楕円状空隙部を形成してもよい。
【００１２】
また、本願発明によれば、前記圧力制御ポートと前記押圧体とからなる押圧機構の正確な位置合わせが不要になるように、該圧力制御ポートが備えられている方向に向かって前記円状空隙部の円内に凹状構造を設けることも提案される。ただし、前記円状空隙部は前記楕円状空隙部や、平面形状が多角形、矩形、角が丸められた矩形などの空隙としてもよい。
【００１３】
また、本願発明によれば、前記圧力制御ポートと前記押圧体とからなる押圧機構の正確な位置合わせが不要になるように、前記円状空隙部内にミアンダ形流路を設けることも提案される。ただし、前記円状空隙部は前記楕円状空隙部や、平面形状が多角形、矩形、角が丸められた矩形などの空隙としてもよい。
また、本願発明によれば、常閉型のバルブとするために、前記圧力制御ポートが備えられている方向に向かって該マイクロ流路内に凸状構造の閉子を該マイクロ流路内の壁面に接触するように形成し、かつ、該閉子と該閉子の隣接部との範囲にわたって前記流体素子チップ上に剛性部材の平板を接着して設けることが提案される。さらに、低荷重でバルブを開くことができるようするために、前記流体素子チップには前記閉子に隣接する空隙部を形成することも提案される。
【００１４】
また、本願発明によれば、前記押圧体により加圧する手段としては、例えば、電磁駆動式などの直進型アクチュエータまたは、空気などによるガス圧、シリコンオイルなどによる静水圧が提案される。
【発明の効果】
【００１５】
前記背景技術のマイクロバルブ機構には流体素子チップの他に駆動素子チップも必要であったため、部材の数が多くなり、製作過程が複雑であった。本発明では、駆動素子チップを必要とせず流体素子チップのみのチップ構造とすることによってマイクロバルブ機構を簡素化することができる。
【００１６】
よって、本発明ではチップを低コスト化することが可能となる。すなわち、本発明はディスポーザブルバイオチップなどへ応用展開することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１のマイクロバルブ機構を示す説明図であり、（ａ）はマイクロバルブ機構を上方から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図２】図１のＣ−Ｃ’線における断面図であり、（ａ）はバルブ開状態、（ｂ）はバルブ閉状態である。
【図３】マイクロバルブ機構の開閉評価を行なうために使用した実験装置を示す説明図である。
【図４】本発明の実施例１のマイクロバルブ機構の製作過程を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例２のマイクロバルブ機構を示す説明図であり、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図６】本発明の実施例３のマイクロバルブ機構を示す説明図であり、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図７】図６のＣ−Ｃ’線における断面図であり、（ａ）はバルブ開状態、（ｂ）はバルブ閉状態である。
【図８】本発明の実施例４のマイクロバルブ機構を示す説明図であり、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図９】本発明の実施例５のマイクロバルブ機構を示す説明図であり、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ開状態の断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ閉状態の断面図である。
【図１０】本発明の実施例６のマイクロバルブ機構を示す説明図であり、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ開状態の断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ閉状態の断面図である。
【図１１】図１０のＣ−Ｃ’線における断面図であり、（ａ）はバルブ開状態、（ｂ）はバルブ閉状態である。
【図１２】図１０のバルブ領域Ａにおける斜視図である。
【図１３】本発明の実施例６の押圧機構の配置位置を示す説明図であり、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）は円状空隙部の中心の流体素子チップ上に押圧機構が配置される場合におけるバルブ閉状態の断面図、（ｃ）は円状空隙部の中心からずれた位置の流体素子チップ上に押圧機構が配置される場合におけるバルブ閉状態の断面図である。
【図１４】本発明の実施例７のバルブ開状態におけるマイクロバルブ機構を示す説明図であり、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図１５】本発明の実施例７のバルブ閉状態におけるマイクロバルブ機構を示す説明図であり、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図１６】本発明の実施例７の押圧機構の配置位置を示す説明図であり、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）は円状空隙部の中心の流体素子チップ上に押圧機構が配置される場合におけるバルブ閉状態の断面図、（ｃ）は円状空隙部の中心からずれた位置の流体素子チップ上に押圧機構が配置される場合におけるバルブ閉状態の断面図である。
【図１７】本発明の実施例８のマイクロバルブ機構を示す説明図であり、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）はバルブ閉状態の断面図、（ｃ）はバルブ開状態の断面図である。
【図１８】図１７のＣ−Ｃ’線における断面図であり、（ａ）はバルブ閉状態、（ｂ）はバルブ開状態である。
【図１９】図１７のバルブ領域Ａにおける斜視図である。
【図２０】本発明の実施例８において、空隙部を有するマイクロバルブ機構を示す説明図であり、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線におけるバルブ閉状態の断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線におけるバルブ開状態の断面図である。
【図２１】図２０のバルブ領域Ａにおける斜視図である。
【図２２】本発明の実施例８において、閉子が空隙部内に突き出す構造を有するマイクロバルブ機構を示す説明図であり、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線におけるバルブ閉状態の断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線におけるバルブ開状態の断面図である。
【図２３】図２２のバルブ領域Ａにおける斜視図である。
【図２４】従来例のマイクロバルブ機構を示す説明図であり、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ閉状態の断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ開状態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、本発明の趣旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。
【実施例１】
【００１９】
図１は本発明の第１の実施例のマイクロバルブ機構１を示した図であり、図１（ａ）はマイクロバルブ機構１を上方から見た平面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図を示している。
【００２０】
本実施例のマイクロバルブ機構１は、圧力制御ポート２と流体素子チップ３と支持基板４とから構成されている。流体素子チップ３はヤング率１０００Ｎ／ｃｍ2のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の変形可能な弾性部材で製作し、流体素子チップ３の高さは本実施例では１ｍｍとした。支持基板４はガラスで製作し、支持基板４の高さは本実施例では１ｍｍとした。
【００２１】
圧力制御ポート２は流体素子チップ３上のバルブ領域Ａに立設されており、圧力制御ポート２を介し押圧体７の圧力を流体素子チップ３に給排することによって、流体の通過と遮断が行われる領域であるバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３が変形し、円状空隙部６が開閉して、流体の通過と遮断を行う。
【００２２】
マイクロバルブ機構１は特定の流れの方向はもたないが、流体素子チップ３中の２つのアクセスポートは、便宜上、入口ポート（Ｉｎ）及び出口ポート（Ｏｕｔ）と呼ぶ。また、マイクロバルブ機構１において、バルブを開閉して流体の通過と遮断が行われる領域はバルブ領域Ａと呼ぶ。流体素子チップ３はマイクロ加工で製作された幅２００μｍ、深さ４０μｍのマイクロ流路５と平面形状が半径０．５ｍｍの円で深さ４０μｍの円状空隙部６とが支持基板４とシールして形成されている。マイクロ流路５は流体を通す微小流路であり、円状空隙部６はバルブ領域Ａにおいて流体の通過と遮断を行う空隙である。流体素子チップ３は支持基板４に固着する。マイクロ流路５は入口ポートＩｎ及び出口ポートＯｕｔからきてバルブ領域Ａにおいて円状空隙部６と合する。
【００２３】
図２は図１のバルブ領域ＡのＣ−Ｃ’線における断面図である。図２（ａ）はバルブ開状態における断面図を示し、図２（ｂ）はバルブ閉状態における断面図を示している。マイクロバルブ機構１は通常は円状空隙部６が開放して開いている。圧力制御ポート２内に設置された押圧曲面の曲率半径１．５ｍｍの押圧体７は外部に設けられた圧力制御部８に接続されている。圧力制御部８は押圧体７を駆動して圧力を制御するコントローラである。押圧体７を駆動することによって圧力が圧力制御ポート２を介してバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３に供給され、バルブ領域Ａにおける円状空隙部６はマイクロバルブ機構１を閉じる方向に変形し、押圧体７による荷重が１００ｇｆ以上になるとマイクロバルブ機構１を完全に閉じることができる。押圧体７は電磁駆動式の直進型アクチュエータを使用する。
【００２４】
なお、ヤング率１０００Ｎ／ｃｍ2の流体素子チップ３の代わりにヤング率１００Ｎ／ｃｍ2や２０００Ｎ／ｃｍ2のシリコン樹脂製の流体素子チップ３を使用しても、本実施例と同様に押圧体７による荷重が１００ｇｆ以上になるとマイクロバルブ機構１を完全に閉じることができる。また、これらの流体素子チップ３において、流体素子チップ３の高さを０．５ｍｍとし、かつ、押圧体７の押圧曲面の曲率半径を０．５ｍｍまたは２ｍｍとしても、本実施例と同様に押圧体７による荷重が１００ｇｆ以上になるとマイクロバルブ機構１を完全に閉じることができる。さらに、押圧体７による荷重を１００ｇｆ未満で制御することによって、円状空隙部６を通過する流量を調節することも可能となる。
【００２５】
本実施例のマイクロバルブ機構１の開閉評価を行なった結果について説明する。図３は開閉評価に使用した実験装置である。図３において、（ａ）真空ポンプ、（ｂ）真空レギュレータ、（ｃ）廃液タンク、（ｄ）マイクロバルブ機構１、（ｅ）純水を充填したチューブを示す。図３におけるマイクロバルブ機構１は、２つの入口ポート（Ｉｎ１，Ｉｎ２）と１つの出口ポート（Ｏｕｔ）を形成して、マイクロ流路５が入口ポートＩｎ１，Ｉｎ２及び出口ポートＯｕｔからきて流体素子チップ３の中央で合する。それぞれの入口ポートＩｎ１，Ｉｎ２からこの中央までのマイクロ流路５の途上に円形空隙部６を形成して、バルブ領域Ａ１，Ａ２に２つのバルブを設けた。流体素子チップ３はヤング率１０００Ｎ／ｃｍ2のＰＤＭＳの変形可能な弾性部材で製作し、流体素子チップ３の高さは１ｍｍとした。支持基板４はガラスで製作し、支持基板４の高さは１ｍｍとした。
【００２６】
マイクロ流路５は幅２００μｍ、深さ４０μｍ、円状空隙部６は平面形状が直径１ｍｍの円で深さ４０μｍとして形成した。水を吸い込むために２０〜３０ｋＰａの負圧を利用した。負圧は真空ポンプによって供給され、水の吸い込み制御のために真空レギュレータを使用して調節した。出口ポートＯｕｔから汲み上げられた水は真空レギュレータへの吸い込みを避けるために廃液タンクに溜められる。入口ポートＩｎ１，Ｉｎ２は純水を満たしたチューブに接続した。
【００２７】
チューブの他端は大気圧に開放される。このとき、圧力制御ポート２内に設置された押圧曲面の曲率半径１．５ｍｍの押圧体７を駆動して、１００ｇｆの荷重をバルブ領域Ａ１における流体素子チップ３に供給したところ、バルブ領域Ａ２における流体は通過できるが、バルブ領域Ａ１における流体の流れを完全に遮断することができた。同様に、押圧体７を駆動して、１００ｇｆの荷重をバルブ領域Ａ２における流体素子チップ３に供給したところ、バルブ領域Ａ１における流体は通過できるが、バルブ領域Ａ２における流体の流れを完全に遮断することができた。このようにして、複数の入口ポートより供給される流体の流れを選択的に遮断することができた。
【００２８】
次に、本実施例１のマイクロバルブ機構１の製作方法について説明する。マイクロバルブ機構１の製作過程を図４に示す。マイクロ流路５と円状空隙部６とを製作するための反転パターンを形成するために、超厚膜フォトレジスト９（ＳＵ−８）をシリコン基板１０の上にスピンコートする。その後、反転パターンを露光し、現像する（図４（ａ））。溶液を保持する型枠を使用して、ＰＤＭＳの未重合溶液をシリコン基板１０上に注ぐ（図４（ｂ））。ＰＤＭＳチップをシリコン基板１０から剥離して、流体素子チップ３が得られる（図４（ｃ））。真鍮パイプを使用して流体素子チップ３にシリコン接着剤で固定して入口ポートＩｎ及び出口ポートＯｕｔを形成する。流体素子チップ３のマイクロ流路５及び円状空隙部６が形成されている側の面とガラス製の支持基板４との両固着面を酸素プラズマで表面処理して、流体素子チップ３とガラス製の支持基板４とを固着して、マイクロバルブ機構１を得る（図４（ｄ））。
【００２９】
以上、本実施形態によれば、バルブの開閉を確実に行なうことができ、かつ、駆動素子チップを必要とせず流体素子チップのみのチップ構造とすることによってマイクロバルブ機構を簡素化することができる。よって、本実施例ではチップを低コスト化することが可能となる。さらに、ヤング率１００Ｎ／ｃｍ2から２０００Ｎ／ｃｍ2までの範囲の流体素子チップにおいて、流体素子チップの高さの０．５倍以上、かつ、押圧体の押圧曲面における曲率半径の０．２５倍から１倍までの範囲を満たす半径を有する平面形状が円である円状空隙部を設けることによって、押圧体による荷重を１００ｇｆ未満で制御することで円状空隙部を通過する流量を調節することができ、押圧体による荷重を１００ｇｆ以上にするとバルブを完全に閉じることができる。
【実施例２】
【００３０】
図５は本発明の第２の実施例のマイクロバルブ機構１を示した図であり、図５（ａ）はマイクロバルブ機構１を上方から見た平面図を示し、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図を示している。
【００３１】
本実施例のマイクロバルブ機構１は、圧力制御ポート２と流体素子チップ３と支持基板４とから構成されている。流体素子チップ３はＰＤＭＳなどのシリコン樹脂の変形可能な弾性部材で製作する。支持基板４はガラスまたは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリプロピレン（ＰＰＰ）などの熱可塑性樹脂で製作する。
【００３２】
圧力制御ポート２は流体素子チップ３上のバルブ領域Ａに立設されており、圧力制御ポート２を介し押圧体７の圧力を流体素子チップ３に給排することによって、流体の通過と遮断が行われる領域であるバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３が変形し、楕円状空隙部１１が開閉して、流体の通過と遮断を行う。
【００３３】
マイクロバルブ機構１は特定の流れの方向はもたないが、流体素子チップ３中の２つのアクセスポートは、便宜上、入口ポート（Ｉｎ）及び出口ポート（Ｏｕｔ）と呼ぶ。また、マイクロバルブ機構１において、バルブを開閉して流体の通過と遮断が行われる領域はバルブ領域Ａと呼ぶ。流体素子チップ３はマイクロ加工で製作されたマイクロ流路５と平面形状がマイクロ流路５に沿った方向に楕円の長手方向を有する楕円である楕円状空隙部１１とが支持基板４とシールして形成されている。マイクロ流路５は流体を通す微小流路であり、楕円状空隙部１０はバルブ領域Ａにおいて流体の通過と遮断を行う空隙である。流体素子チップ３は支持基板４に固着する。マイクロ流路５は入口ポートＩｎ及び出口ポートＯｕｔからきてバルブ領域Ａにおいて楕円状空隙部１１と合する。
【００３４】
マイクロバルブ機構１は通常は楕円状空隙部１１が開放して開いている。圧力制御ポート２内に設置された押圧体７は外部に設けられた圧力制御部８に接続されている。圧力制御部８は押圧体７を駆動して圧力を制御するコントローラである。押圧体７を駆動することによって圧力が圧力制御ポート２を介してバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３に供給され、バルブ領域Ａにおける楕円状空隙部１１はマイクロバルブ機構１を閉じる方向に変形する。押圧体７は電磁駆動式などの直進型アクチュエータまたは、空気などによるガス圧、シリコンオイルなどによる静水圧を使用する。
【００３５】
本実施例のマイクロバルブ機構１の開閉評価を行なった結果について説明する。流体素子チップ３はヤング率１０００Ｎ／ｃｍ2のＰＤＭＳの変形可能な弾性部材で製作し、流体素子チップ３の高さは１ｍｍとした。支持基板４はガラスで製作し、支持基板４の高さは１ｍｍとした。マイクロ流路５は幅２００μｍ、深さ４０μｍ、楕円状空隙部１１は平面形状が長手方向の直径１ｍｍ、短手方向の直径０．５ｍｍの楕円で深さ４０μｍとして形成した。入口ポートＩｎより水を吸い込むために２０〜３０ｋＰａの負圧を利用した。負圧は真空ポンプによって供給され、水の吸い込み制御のために真空レギュレータを使用して調節した。出口ポートＯｕｔから汲み上げられた水は真空レギュレータへの吸い込みを避けるために廃液タンクに溜められる。
【００３６】
入口ポートＩｎは純水を満たしたチューブに接続した。チューブの他端は大気圧に開放される。このとき、圧力制御ポート２内に設置された押圧曲面の曲率半径１．５ｍｍの押圧体７を駆動して、圧力をバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３に供給したところ、流体の流れを完全に遮断することができた。また、実施例１では円状空隙部６の平面形状が円であるため、１つのチップ上に複数のバルブを配置する場合に高密度化が困難であったが、本実施例では楕円状空隙部１１の平面形状が楕円であるため、楕円の短手方向の幅を短くすることによって、複数のバルブを密に配置することができた。
【００３７】
以上、本実施形態によれば、バルブの開閉を確実に行なうことができ、かつ、駆動素子チップを必要とせず流体素子チップのみのチップ構造とすることによってマイクロバルブ機構を簡素化することができる。よって、本実施例ではチップを低コスト化することが可能となる。さらに、平面形状が楕円である楕円状空隙部を構成することによって、バルブ領域おける楕円の短手方向の幅を狭くすることができるため、１つのチップ上に複数のバルブを配置する場合、バルブ配置の高密度化が可能となる。
【実施例３】
【００３８】
図６は本発明の第３の実施例のマイクロバルブ機構１を示した図であり、図６（ａ）はマイクロバルブ機構１を上方から見た平面図を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図を示している。
【００３９】
本実施例のマイクロバルブ機構１は、圧力制御ポート２と流体素子チップ３と支持基板４とから構成される。流体素子チップ３はＰＤＭＳなどのシリコン樹脂の変形可能な弾性部材で製作する。支持基板４はガラスまたは、ＰＥＴやＰＰＰなどの熱可塑性樹脂で製作する。圧力制御ポート２は流体素子チップ３上のバルブ領域Ａに立設されており、圧力制御ポート２を介し押圧体７の圧力を流体素子チップ３に給排することによって、流体素子チップ３における凹形状の凹部１２が変形し、円状空隙部６が開閉して、流体の通過と遮断を行う。
【００４０】
マイクロバルブ機構１は特定の流れの方向はもたないが、流体素子チップ３中の２つのアクセスポートは、便宜上、入口ポート（Ｉｎ）及び出口ポート（Ｏｕｔ）と呼ぶ。また、マイクロバルブ機構１において、バルブを開閉して流体の通過と遮断が行われる領域はバルブ領域Ａと呼ぶ。流体素子チップ３の片面にはマイクロ加工で製作されたマイクロ流路５と平面形状が円である円状空隙部６とが支持基板４とシールして形成され、もう一方の面のバルブ領域Ａには凹形状の凹部１２が形成されている。マイクロ流路５は流体を通す微小流路であり、円状空隙部６はバルブ領域Ａにおいて流体の通過と遮断を行う空隙である。凹部１２の直上には圧力制御ポート２が隣接している。流体素子チップ３は支持基板４に固着する。マイクロ流路５は入口ポートＩｎ及び出口ポートＯｕｔからきてバルブ領域Ａにおいて円状空隙部６と合する。
【００４１】
図７は図６のバルブ領域ＡのＣ−Ｃ’線における断面図である。図７（ａ）はバルブ開状態における断面図を示し、図７（ｂ）はバルブ閉状態における断面図を示している。マイクロバルブ機構１は通常は円状空隙部６が開放して開いている。圧力制御ポート２内に設置された押圧体７は外部に設けられた圧力制御部８に接続されている。圧力制御部８は押圧体７を駆動して圧力を制御するコントローラである。押圧体７を駆動することによって圧力が圧力制御ポート２を介してバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３の凹部１２に供給され、バルブ領域Ａにおける円状空隙部６はマイクロバルブ機構１を閉じる方向に変形する。押圧体７は電磁駆動式などの直進型アクチュエータまたは、空気などによるガス圧、シリコンオイルなどによる静水圧を使用する。
【００４２】
なお、円状空隙部６は平面形状が楕円である楕円状空隙部１１や、平面形状が多角形、矩形、角が丸められた矩形などの空隙としてもよい。
本実施例のマイクロバルブ機構１の開閉評価を行なった結果について説明する。流体素子チップ３はヤング率１０００Ｎ／ｃｍ2のＰＤＭＳの変形可能な弾性部材で製作し、流体素子チップ３の高さは１ｍｍとした。支持基板４はガラスで製作し、支持基板４の高さは１ｍｍとした。バルブ領域Ａにおける凹部１２は平面形状が直径４ｍｍの円で深さ０．５ｍｍ、マイクロ流路５は幅２００μｍ、深さ４０μｍ、円状空隙部６は平面形状が直径１ｍｍの円で深さ４０μｍとして形成した。入口ポートＩｎより水を吸い込むために２０〜３０ｋＰａの負圧を利用した。負圧は真空ポンプによって供給され、水の吸い込み制御のために真空レギュレータを使用して調節した。出口ポートＯｕｔから汲み上げられた水は真空レギュレータへの吸い込みを避けるために廃液タンクに溜められる。
【００４３】
入口ポートＩｎは純水を満たしたチューブに接続した。チューブの他端は大気圧に開放される。このとき、圧力制御ポート２内に設置された押圧曲面の曲率半径１．５ｍｍの押圧体７を駆動して、圧力をバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３に供給したところ、流体の流れを完全に遮断することができた。また、実施例１，２では、バルブを完全に閉じるために押圧荷重が１００ｇｆ以上必要であったが、本実施例では、凹部１２を設けることによって、この部分の流体素子チップ３の厚みを薄くできるため、１００ｇｆ未満の荷重でバルブを完全に閉じることができた。
【００４４】
以上、本実施形態によれば、バルブの開閉を確実に行なうことができ、かつ、駆動素子チップを必要とせず流体素子チップのみのチップ構造とすることによってマイクロバルブ機構を簡素化することができる。よって、本実施例ではチップを低コスト化することが可能となる。さらに、凹形状の凹部を構成することによって、円状空隙部の直上の流体素子チップの厚みが薄くなるため、低荷重でバルブを閉じることができる。すなわち、押圧体の低出力駆動が可能となる。
【実施例４】
【００４５】
図８は本発明の第４の実施例のマイクロバルブ機構１を示す図であり、図８（ａ）はマイクロバルブ機構１を上方から見た平面図を示し、図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図を示している。
【００４６】
本実施例のマイクロバルブ機構１は、圧力制御ポート２と流体素子チップ３と支持基板４とから構成されている。流体素子チップ３はバルブ領域Ａにおける弾性部材の変形部１３と変形部１３以外の剛性部材の非変形部１４とにより構成される。
【００４７】
圧力制御ポート２は流体素子チップ３上のバルブ領域Ａに立設されており、圧力制御ポート２を介し押圧体７の圧力を流体素子チップ３に給排することによって、流体素子チップ３における弾性部材の変形部１３が変形し、円状空隙部６が開閉して、流体の通過と遮断を行う。
【００４８】
マイクロバルブ機構１は特定の流れの方向はもたないが、流体素子チップ３中の２つのアクセスポートは、便宜上、入口ポート（Ｉｎ）及び出口ポート（Ｏｕｔ）と呼ぶ。また、マイクロバルブ機構１において、バルブを開閉して流体の通過と遮断が行われる領域はバルブ領域Ａと呼ぶ。変形部１３はＰＤＭＳなどのシリコン樹脂の変形可能な弾性部材で製作し、非変形部１４はＰＥＴやＰＰＰなどの熱可塑性樹脂の剛性部材で製作する。支持基板４はガラスまたは、ＰＥＴやＰＰＰなどの熱可塑性樹脂で製作する。流体素子チップ３はマイクロ加工で製作されたマイクロ流路５と平面形状が円である円状空隙部６とが支持基板４とシールして形成され、バルブ領域Ａにおいて弾性部材の変形部１３が形成されている。マイクロ流路５は流体を通す微小流路であり、円状空隙部６はバルブ領域Ａにおいて流体の通過と遮断を行う空隙である。流体素子チップ３は支持基板４に固着される。マイクロ流路５は入口ポートＩｎ及び出口ポートＯｕｔからきてバルブ領域Ａにおいて円状空隙部６と合する。
【００４９】
マイクロバルブ機構１は通常は円状空隙部６が開放して開いている。圧力制御ポート２内に設置された押圧体７は外部に設けられた圧力制御部８に接続されている。圧力制御部８は押圧体７を駆動して圧力を制御するコントローラである。押圧体７を駆動することによって圧力が圧力制御ポート２を介してバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３の変形部１３に供給され、バルブ領域Ａにおける円状空隙部６はマイクロバルブ機構１を閉じる方向に変形する。押圧体７は電磁駆動式などの直進型アクチュエータまたは、空気などによるガス圧、シリコンオイルなどによる静水圧を使用する。
【００５０】
なお、円状空隙部６は平面形状が楕円である楕円状空隙部１１や、平面形状が多角形、矩形、角が丸められた矩形などの空隙としてもよい。流体素子チップ３には凹部１２を形成してもよい。
本実施例のマイクロバルブ機構１の開閉評価を行なった結果について説明する。バルブ領域Ａは平面形状が２ｍｍ×２ｍｍの矩形の範囲として、流体素子チップ３のバルブ領域Ａにおける変形部１３はヤング率１０００Ｎ／ｃｍ2のＰＤＭＳの変形可能な弾性部材で製作し、非変形部１４はＰＥＴの剛性部材で製作した。流体素子チップ３の高さは１ｍｍとした。支持基板４はガラスで製作し、支持基板４の高さは１ｍｍとした。マイクロ流路５は幅２００μｍ、深さ４０μｍ、円状空隙部６は平面形状が直径１ｍｍの円で深さ４０μｍとして形成した。入口ポートＩｎより水を吸い込むために２０〜３０ｋＰａの負圧を利用した。負圧は真空ポンプによって供給され、水の吸い込み制御のために真空レギュレータを使用して調節した。出口ポートＯｕｔから汲み上げられた水は真空レギュレータへの吸い込みを避けるために廃液タンクに溜められる。
【００５１】
入口ポートＩｎは純水を満たしたチューブに接続した。チューブの他端は大気圧に開放される。このとき、圧力制御ポート２内に設置された押圧曲面の曲率半径１．５ｍｍの押圧体７を駆動して、圧力をバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３に供給したところ、流体の流れを完全に遮断することができた。また、実施例１〜３では、流体素子チップ３の全てをＰＤＭＳなどのシリコン樹脂で製作したため、ＰＥＴやＰＰＰなどの熱可塑性樹脂に比べて材料コストが割高となったが、本実施例では、流体素子チップ３の非変形部１４を熱可塑性樹脂で製作することによって、製作にかかるコストを抑えることができた。
【００５２】
以上、本実施形態によれば、バルブの開閉を確実に行なうことができ、かつ、駆動素子チップを必要とせず流体素子チップのみのチップ構造とすることによってマイクロバルブ機構を簡素化することができる。よって、本実施例ではチップを低コスト化することが可能となる。さらに、非変形部をＰＥＴやＰＰＰなどの熱可塑性樹脂の剛性部材で構成することによって、チップコストをより低減することができる。
【実施例５】
【００５３】
図９は本発明の第５の実施例のマイクロバルブ機構１を示した図であり、図９（ａ）はマイクロバルブ機構１を上方から見た平面図を示している。また、図９（ｂ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ開状態の断面図を示し、図９（ｃ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ閉状態の断面図を示している。
【００５４】
本実施例のマイクロバルブ機構１は、圧力制御ポート２と流体素子チップ３と支持基板４により構成されている。流体素子チップ３はＰＤＭＳなどのシリコン樹脂の変形可能な弾性部材で製作される。支持基板４はガラスまたは、ＰＥＴやＰＰＰなどの熱可塑性樹脂で製作する。圧力制御ポート２は流体素子チップ３上のバルブ領域Ａに立設されており、圧力制御ポート２を介し押圧体７の圧力を流体素子チップ３に給排することによって、流体素子チップ３における凸形状の凸部１５が変形し、マイクロ流路５が開閉して、流体の通過と遮断を行う。
【００５５】
マイクロバルブ機構１は特定の流れの方向はもたないが、流体素子チップ３中の２つのアクセスポートは、便宜上、入口ポート（Ｉｎ）及び出口ポート（Ｏｕｔ）と呼ぶ。また、マイクロバルブ機構１において、バルブを開閉して流体の通過と遮断が行われる領域はバルブ領域Ａと呼ぶ。流体素子チップ３はマイクロ加工で製作されたマイクロ流路５が支持基板４とシールして形成されている。マイクロ流路５はバルブ領域Ａにおいて凸形状の凸部１５が形成されている。マイクロ流路５は流体を通す微小流路とバルブ領域Ａにおいて流体の通過と遮断を行う微小流路とで構成されている。流体素子チップ３は支持基板４に固着する。マイクロ流路５は入口ポートＩｎからきてバルブ領域Ａを通過して出口ポートＯｕｔに合する。
【００５６】
マイクロバルブ機構１は通常はマイクロ流路５が開放して開いている。圧力制御ポート２内に設置された押圧体７は外部に設けられた圧力制御部８に接続されている。圧力制御部８は押圧体７を駆動して圧力を制御するコントローラである。押圧体７を駆動することによって圧力が圧力制御ポート２を介してバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３に供給され、バルブ領域Ａにおけるマイクロ流路５はマイクロバルブ機構１を閉じる方向に変形する。押圧体７は電磁駆動式などの直進型アクチュエータまたは、空気などによるガス圧、シリコンオイルなどによる静水圧を使用する。
【００５７】
なお、支持基板４を加工して、支持基板４上のバルブ領域Ａにおいて凸形状の台座１６を立設してもよい。流体素子チップ３には凹部１２を形成してもよい。流体素子チップ３は弾性部材の変形部１３と剛性部材の非変形部１４とで構成してもよい。
本実施例のマイクロバルブ機構１の開閉評価を行なった結果について説明する。流体素子チップ３はヤング率１０００Ｎ／ｃｍ2のＰＤＭＳの変形可能な弾性部材で製作し、流体素子チップ３の高さは１ｍｍとした。支持基板４はガラスで製作し、支持基板４の高さは１ｍｍとした。マイクロ流路５は幅１２０μｍ、深さ５０μｍ、凸部１５は平面形状が１ｍｍ×１２０μｍの矩形で高さ２０μｍ、台座１６は平面形状が１ｍｍ×１２０μｍの矩形で高さ１０μｍとして形成した。
【００５８】
入口ポートＩｎより水を吸い込むために２０〜３０ｋＰａの負圧を利用した。負圧は真空ポンプによって供給され、水の吸い込み制御のために真空レギュレータを使用して調節した。出口ポートＯｕｔから汲み上げられた水は真空レギュレータへの吸い込みを避けるために廃液タンクに溜められる。入口ポートＩｎは純水を満たしたチューブに接続した。チューブの他端は大気圧に開放される。このとき、圧力制御ポート２内に設置された押圧曲面の曲率半径１．５ｍｍの押圧体７を駆動して、圧力をバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３に供給したところ、流体の流れを完全に遮断することができた。また、実施例１では円状空隙部６の平面形状が円であるため、１つのチップ上に複数のバルブを配置する場合に高密度化が困難であったが、本実施例では、マイクロ流路５のバルブ領域Ａに凸部を設けることによって円状空隙部６が不要となるため、複数のバルブを密に配置することができた。
【００５９】
以上、本実施形態によれば、バルブの開閉を確実に行なうことができ、かつ、駆動素子チップを必要とせず流体素子チップのみのチップ構造とすることによってマイクロバルブ機構を簡素化することができる。よって、本実施例ではチップを低コスト化することが可能となる。さらに、バルブ領域において流体の通過と遮断を行うマイクロ流路を構成することによって、バルブ領域を狭くすることができるため、１つのチップ上に複数のバルブを配置する場合、バルブ配置の高密度化が可能となる。
【実施例６】
【００６０】
図１０は本発明の第６の実施例のマイクロバルブ機構１を示した図であり、図１０（ａ）はマイクロバルブ機構１を上方から見た平面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ開状態の断面図、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ閉状態の断面図を示している。図１１は図１０のバルブ領域ＡのＣ−Ｃ’線における断面図である。図１１（ａ）はバルブ開状態における断面図を示し、図１１（ｂ）はバルブ閉状態における断面図を示している。また、図１２は図１０のバルブ領域Ａにおける斜視図である。
【００６１】
本実施例のマイクロバルブ機構１は、圧力制御ポート２と流体素子チップ３と支持基板４により構成されている。流体素子チップ３はＰＤＭＳなどのシリコン樹脂の変形可能な弾性部材で製作される。支持基板４はガラスまたは、ＰＥＴやＰＰＰなどの熱可塑性樹脂で製作する。圧力制御ポート２は流体素子チップ３上のバルブ領域Ａに立設されており、圧力制御ポート２を介し押圧体７の圧力を流体素子チップ３に給排することによって、流体素子チップ３に形成された円状空隙部６内の凹状構造２１が変形し、円状空隙部６が開閉して、流体の通過と遮断を行う。このような凹状構造２１を設けることによって、マイクロバルブ機構１を製作する際に円状空隙部６が形成されている流体素子チップ３の部分がたわんで支持基板４に固着してしまうことがなく、かつ、圧力制御ポート２と押圧体７とからなる押圧機構の正確な位置合わせが不要になるという効果が得られる。
【００６２】
マイクロバルブ機構１は特定の流れの方向はもたないが、流体素子チップ３中の２つのアクセスポートは、便宜上、入口ポート（Ｉｎ）及び出口ポート（Ｏｕｔ）と呼ぶ。また、マイクロバルブ機構１において、バルブを開閉して流体の通過と遮断が行われる領域はバルブ領域Ａと呼ぶ。流体素子チップ３はマイクロ加工で製作されたマイクロ流路５と平面形状が円である円状空隙部６とが支持基板４とシールして形成されている。マイクロ流路５は流体を通す微小流路である。平面形状が円である円状空隙部６は、圧力制御ポート２が備えられている方向に向かってこの円状空隙部６の円内に凹状構造２１が形成され、バルブ領域Ａにおいて流体の通過と遮断を行う空隙である。流体素子チップ３は支持基板４に固着する。マイクロ流路５は入口ポートＩｎ及び出口ポートＯｕｔからきてバルブ領域Ａにおいて円状空隙部６と合する。なお、円状空隙部６は平面形状が楕円である楕円状空隙部１１や、平面形状が多角形、矩形、角が丸められた矩形などの空隙としてもよい。流体素子チップ３には凹部１２を形成してもよい。流体素子チップ３には凹部１２を形成してもよい。流体素子チップ３は弾性部材の変形部１３と剛性部材の非変形部１４とで構成してもよい。
【００６３】
圧力制御ポート２が備えられている方向に向かって円状空隙部６の円内に形成される凹状構造２１は、マイクロバルブ機構１を製作する際に、円状空隙部６が形成されている流体素子チップ３の部分が流体素子チップ３の自重によってたわんで支持基板４に固着することを防止する役割をもつ。例えば、流体素子チップ３はヤング率１０００Ｎ／ｃｍ2のＰＤＭＳの変形可能な弾性部材で製作し、流体素子チップ３の高さは１ｍｍとする。支持基板４はガラスで製作する。このとき、平面形状が直径１ｍｍの円で深さ１０μｍの円状空隙部６を製作すると、この円状空隙部６が形成されている流体素子チップ３の部分がたわんで支持基板４に固着してしまう。しかし、圧力制御ポート２が備えられている方向に向かって円状空隙部６の円内に平面形状が直径０．９ｍｍの円で深さ４０μｍの凹状構造２１を形成して製作すると、円状空隙部６が形成されている流体素子チップ３の部分がたわんでも支持基板４に固着することはない。
【００６４】
マイクロバルブ機構１は通常は円状空隙部６が開放して開いている。圧力制御ポート２内に設置された押圧体７は外部に設けられた圧力制御部８に接続されている。圧力制御部８は押圧体７を駆動して圧力を制御するコントローラである。押圧体７を駆動することによって圧力が圧力制御ポート２を介してバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３に供給される。この供給された圧力が円状空隙部６内に形成された凹状構造２１を変形させることによって、凹状構造２１の段差部分が支持基板４に接触して、流体を遮断する。このようにして、マイクロバルブ機構１は円状空隙部６が閉鎖して閉じる。なお、押圧体７は電磁駆動式などの直進型アクチュエータまたは、空気などによるガス圧、シリコンオイルなどによる静水圧を使用する。
【００６５】
本実施例のマイクロバルブ機構１における圧力制御ポート２と押圧体７とで構成される押圧機構の配置位置について説明する。図１３は本実施例における押圧機構の配置位置に関する図である。図１３（ａ）は図１０（ａ）と同じくマイクロバルブ機構１を上方から見た平面図である。図１３（ｂ）は円状空隙部６の中心の流体素子チップ３上に押圧機構が配置される場合の図１３（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ閉状態の断面図であって、図１３（ｃ）は円状空隙部６の中心からずれた位置の流体素子チップ３上に押圧機構が配置される場合の図１３（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ閉状態の断面図である。バルブの開閉は円状空隙部６内に形成された凹状構造２１の段差部分が支持基板４に離着することによって行なわれるので、バルブ閉状態において、押圧体７の駆動により凹状構造２１の段差部分さえ支持基板４に接触していれば、円状空隙部６の中心から押圧機構の配置位置がずれていても、効果的に流体を遮断させることができる。したがって、押圧機構は円状空隙部６との正確な位置合わせを行なう必要がないので、押圧機構を配置する際、その位置合わせを容易化することが可能となる。
【００６６】
本実施例のマイクロバルブ機構１の開閉評価を行なった結果について説明する。流体素子チップ３はヤング率１０００Ｎ／ｃｍ2のＰＤＭＳの変形可能な弾性部材で製作し、流体素子チップ３の高さは１ｍｍとした。支持基板４はガラスで製作し、支持基板４の高さは１ｍｍとした。マイクロ流路５は幅１２０μｍ、深さ５０μｍ、円状空隙部６は平面形状が直径１ｍｍの円で深さ１０μｍ、凹状構造２１は圧力制御ポート２が備えられている方向に向かって円状空隙部６の円内に平面形状が直径０．９ｍｍの円で深さ４０μｍとして形成した。入口ポートＩｎより水を吸い込むために２０〜３０ｋＰａの負圧を利用した。負圧は真空ポンプによって供給され、水の吸い込み制御のために真空レギュレータを使用して調節した。出口ポートＯｕｔから汲み上げられた水は真空レギュレータへの吸い込みを避けるために廃液タンクに溜められる。入口ポートＩｎは純水を満たしたチューブに接続した。チューブの他端は大気圧に開放される。このとき、圧力制御ポート２内に設置された押圧曲面の曲率半径１．５ｍｍの押圧体７を駆動して、圧力をバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３に供給したところ、流体の流れを完全に遮断することができた。また、実施例１〜５では押圧機構と空隙部との正確な位置合わせが必要であったが、本実施例では押圧機構と円状空隙部６との正確な位置合わせを行なうことなく、マイクロバルブ機構１の開閉が可能であった。なお、押圧体７は電磁駆動式の直進型アクチュエータを使用した。
【００６７】
以上、本実施形態によれば、バルブの開閉を確実に行なうことができ、かつ、駆動素子チップを必要とせず流体素子チップのみのチップ構造とすることによってマイクロバルブ機構を簡素化することができる。よって、本実施例ではチップを低コスト化することが可能となる。また、円状空隙部の円内に凹状構造を設けることによって、マイクロバルブ機構を製作する際に円状空隙部が形成されている流体素子チップの部分がたわんで支持基板に固着してしまうことがない。さらに、この凹状構造によって、押圧機構の正確な位置合わせが不要になるので、押圧機構を配置する際、その位置合わせを容易化することが可能となる。
【実施例７】
【００６８】
図１４は本発明の第７の実施例のバルブ開状態におけるマイクロバルブ機構１を示した図であって、図１４（ａ）はマイクロバルブ機構１を上方から見た平面図を示し、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図を示している。また、図１５は本実施例のバルブ閉状態におけるマイクロバルブ機構１を示した図であって、図１５（ａ）はマイクロバルブ機構１を上方から見た平面図を示し、図１５（ｂ）は図１５（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図を示している。
【００６９】
本実施例のマイクロバルブ機構１は、圧力制御ポート２と流体素子チップ３と支持基板４により構成されている。流体素子チップ３はＰＤＭＳなどのシリコン樹脂の変形可能な弾性部材で製作される。支持基板４はガラスまたは、ＰＥＴやＰＰＰなどの熱可塑性樹脂で製作する。圧力制御ポート２は流体素子チップ３上のバルブ領域Ａに立設されており、圧力制御ポート２を介し押圧体７の圧力を流体素子チップ３に給排することによって、流体素子チップ３に形成された円状空隙部６内のミアンダ形流路２３が開閉して、流体の通過と遮断を行う。このように、円状空隙部６内にミアンダ形流路２３を設けることによって、圧力制御ポート２と押圧体７とからなる押圧機構の正確な位置合わせが不要になるという効果が得られる。
【００７０】
マイクロバルブ機構１は特定の流れの方向はもたないが、流体素子チップ３中の２つのアクセスポートは、便宜上、入口ポート（Ｉｎ）及び出口ポート（Ｏｕｔ）と呼ぶ。また、マイクロバルブ機構１において、バルブを開閉して流体の通過と遮断が行われる領域はバルブ領域Ａと呼ぶ。流体素子チップ３はマイクロ加工で製作されたマイクロ流路５と平面形状が円である円状空隙部６とが支持基板４とシールして形成されている。マイクロ流路５は流体を通す微小流路である。円状空隙部６は、この円状空隙部６内にミアンダ形流路２３が形成され、バルブ領域Ａにおいて流体の通過と遮断を行う空隙である。ミアンダ形流路２３は、円状空隙部６内に形成された複数の壁２２によって構成される。流体素子チップ３は支持基板４に固着する。マイクロ流路５は入口ポートＩｎ及び出口ポートＯｕｔからきてバルブ領域Ａにおいて円状空隙部６と合する。なお、円状空隙部６は平面形状が楕円である楕円状空隙部１１や、平面形状が多角形、矩形、角が丸められた矩形などの空隙としてもよい。流体素子チップ３には凹部１２を形成してもよい。流体素子チップ３は弾性部材の変形部１３と剛性部材の非変形部１４とで構成してもよい。
【００７１】
マイクロバルブ機構１は通常は円状空隙部６内のミアンダ形流路２３が開放して開いている。圧力制御ポート２内に設置された押圧体７は外部に設けられた圧力制御部８に接続されている。圧力制御部８は押圧体７を駆動して圧力を制御するコントローラである。押圧体７を駆動することによって圧力が圧力制御ポート２を介してバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３に供給される。この供給された圧力が円状空隙部６内におけるミアンダ形流路２３を構成する複数の壁２２を変形させることによって、ミアンダ形流路２３を閉じるように隣り合った壁２２同士の側面が接触して、流体を遮断する。このようにして、マイクロバルブ機構１はミアンダ形流路２３が閉鎖して閉じる。なお、押圧体７は電磁駆動式などの直進型アクチュエータまたは、空気などによるガス圧、シリコンオイルなどによる静水圧を使用する。
【００７２】
次に、本実施例のマイクロバルブ機構１における圧力制御ポート２と押圧体７とで構成される押圧機構の配置位置について説明する。図１６は本実施例における押圧機構の配置位置に関する図である。図１６（ａ）は図１４（ａ）と同じくマイクロバルブ機構１を上方から見た平面図である。図１６（ｂ）は円状空隙部６の中心の流体素子チップ３上に押圧機構が配置される場合の図１６（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ閉状態の断面図であって、図１６（ｃ）は円状空隙部６の中心からずれた位置の流体素子チップ３上に押圧機構が配置される場合の図１６（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ閉状態の断面図である。バルブの開閉は円状空隙部６内の隣り合った壁２２同士の側面が離着することによって行なわれるので、バルブ閉状態において、押圧体７の駆動により隣り合った壁２２同士の側面が接触してミアンダ形流路２３が閉じてさえいれば、円状空隙部６の中心から押圧機構の配置位置がずれていても、効果的に流体を遮断させることができる。したがって、押圧機構は円状空隙部６との正確な位置合わせを行なう必要がないので、押圧機構を配置する際、その位置合わせを容易化することが可能となる。
【００７３】
本実施例のマイクロバルブ機構１の開閉評価を行なった結果について説明する。流体素子チップ３はヤング率１０００Ｎ／ｃｍ2のＰＤＭＳの変形可能な弾性部材で製作し、流体素子チップ３の高さは１ｍｍとした。支持基板４はガラスで製作し、支持基板４の高さは１ｍｍとした。マイクロ流路５は幅１２０μｍ、深さ５０μｍ、円状空隙部６は平面形状が直径１ｍｍの円で深さ５０μｍとして形成した。円状空隙部６内のミアンダ形流路２３は、幅４０μｍの壁２２を７０μｍの間隔で４つ形成することによって製作した。入口ポートＩｎより水を吸い込むために２０〜３０ｋＰａの負圧を利用した。
負圧は真空ポンプによって供給され、水の吸い込み制御のために真空レギュレータを使用して調節した。出口ポートＯｕｔから汲み上げられた水は真空レギュレータへの吸い込みを避けるために廃液タンクに溜められる。入口ポートＩｎは純水を満たしたチューブに接続した。チューブの他端は大気圧に開放される。このとき、圧力制御ポート２内に設置された押圧曲面の曲率半径１．５ｍｍの押圧体７を駆動して、圧力をバルブ領域Ａにおける流体素子チップ３に供給したところ、流体の流れを完全に遮断することができた。
また、実施例１〜５では押圧機構と空隙部との正確な位置合わせが必要であったが、本実施例では押圧機構と円状空隙部６との正確な位置合わせを行なうことなく、マイクロバルブ機構１の開閉が可能であった。なお、押圧体７は電磁駆動式の直進型アクチュエータを使用した。
【００７４】
以上、本実施形態によれば、バルブの開閉を確実に行なうことができ、かつ、駆動素子チップを必要とせず流体素子チップのみのチップ構造とすることによってマイクロバルブ機構を簡素化することができる。よって、本実施例ではチップを低コスト化することが可能となる。さらに、円状空隙部内にミアンダ形流路を設けることによって押圧機構の正確な位置合わせが不要になるので、押圧機構を配置する際、その位置合わせを容易化することが可能となる。
【実施例８】
【００７５】
図１７は、本発明の第８の実施例のマイクロバルブ機構１を示した図であり、図１７（ａ）はマイクロバルブ機構１を上方から見た平面図、図１７（ｂ）は図１７（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ閉状態の断面図、図１７（ｃ）は図１７（ａ）のＢ−Ｂ’線におけるバルブ開状態の断面図を示している。図１８は図１７のバルブ領域ＡのＣ−Ｃ’線における断面図である。図１８（ａ）はバルブ閉状態における断面図を示し、図１８（ｂ）はバルブ開状態における断面図を示している。また、図１９は図１７のバルブ領域Ａにおける斜視図である。
【００７６】
本実施例のマイクロバルブ機構１は、圧力制御ポート２と流体素子チップ３と支持基板４と平板２５とにより構成されている。流体素子チップ３はＰＤＭＳなどのシリコン樹脂の変形可能な弾性部材で製作される。支持基板４はガラスまたは、ＰＥＴやＰＰＰなどの熱可塑性樹脂で製作する。平板２５はガラスまたは、ＰＥＴやＰＰＰなどの熱可塑性樹脂、鉄や銅などの金属の剛性部材で製作する。
【００７７】
マイクロバルブ機構１は通常、流体素子チップ３に形成されたマイクロ流路５内の閉子２４によってマイクロ流路５が遮断されて閉じている。平板２５は流体素子チップ３上のバルブ領域Ａに接着され、圧力制御ポート２は平板２５上に立設されており、圧力制御ポート２を介し押圧体７の圧力を平板２５に供給することによって、閉子２４上の流体素子チップ３が変形してマイクロ流路５が連通し、マイクロバルブ機構１が開く。このように、マイクロ流路５内の閉止２４と流体素子チップ３上の平板２５とを設けることによって、常閉型の押圧駆動式バルブとすることができる。
【００７８】
マイクロバルブ機構１は特定の流れの方向はもたないが、流体素子チップ３中の２つのアクセスポートは、便宜上、入口ポート（Ｉｎ）及び出口ポート（Ｏｕｔ）と呼ぶ。また、マイクロバルブ機構１において、バルブを開閉して流体の通過と遮断が行われる領域はバルブ領域Ａと呼ぶ。流体素子チップ３はマイクロ加工で製作されたマイクロ流路５が支持基板４とシールして形成されている。マイクロ流路５は流体を通す微小流路である。支持基板４は流体素子チップ３とシールされる側に、マイクロ加工で製作された凸状構造の閉子２４が形成されている。
【００７９】
閉子２４は、バルブを閉じた状態、つまり、閉子２４が流体素子チップ３に形成されたマイクロ流路５内の壁面に接触した状態で、入口ポートＩｎと出口ポートＯｕｔとが連通しないように、マイクロ流路５を遮断するように設けられている。流体素子チップ３は支持基板４に固着する。平板２５は閉子２４と閉子２４に隣接する流体素子チップ３の部分との範囲にわたって流体素子チップ３上に接着されている。圧力制御ポート２は閉子２４に隣接する流体素子チップ３の部分における平板２５上に立設されている。なお、流体素子チップ３は弾性部材の変形部１３と剛性部材の非変形部１４とで構成してもよい。
【００８０】
マイクロバルブ機構１は通常は閉子２４によってマイクロ流路５が遮断されて閉じている。圧力制御ポート２内に設置された押圧体７は外部に設けられた圧力制御部８に接続されている。圧力制御部８は押圧体７を駆動して圧力を制御するコントローラである。押圧体７を駆動することによって圧力が圧力制御ポート２を介して閉子２４に隣接する流体素子チップ３の部分における平板２５に供給される。
【００８１】
この供給された圧力が平板２５の一端部（閉子２４に隣接する流体素子チップ３の部分における平板２５）に接着された流体素子チップ３を押し下げることによって、平板２５の他端部（閉子２４の部分における平板２５）に接着された流体素子チップ３が引き上がり、閉子２４と閉子２４上の流体素子チップ３との間に空隙が生じ、マイクロ流路５が連通して流体が通過する。このようにして、閉子２４上に生じた空隙を介してマイクロ流路５が連通し、マイクロバルブ機構１が開く。なお、押圧体７は電磁駆動式などの直進型アクチュエータまたは、空気などによるガス圧、シリコンオイルなどによる静水圧を使用する。
【００８２】
本実施例のマイクロバルブ機構１の開閉評価を行なった結果について説明する。流体素子チップ３はヤング率１０００Ｎ／ｃｍ2のＰＤＭＳの変形可能な弾性部材で製作し、流体素子チップ３の高さは１ｍｍとした。支持基板４はガラスで製作し、支持基板４の高さは１ｍｍとした。マイクロ流路５は幅１２０μｍ、深さ５０μｍ、閉子２４は平面形状が２ｍｍ×１２０μｍの矩形で高さ５０μｍとして形成した。平板２５はガラスで製作し、平面形状が２ｍｍ×２ｍｍの矩形で高さ１ｍｍとした。平板２５と流体素子チップ３とは、両接着面を酸素プラズマで表面処理して接着した。入口ポートＩｎより水を吸い込むために２０〜３０ｋＰａの負圧を利用した。
【００８３】
負圧は真空ポンプによって供給され、水の吸い込み制御のために真空レギュレータを使用して調節した。出口ポートＯｕｔから汲み上げられた水は真空レギュレータへの吸い込みを避けるために廃液タンクに溜められる。入口ポートＩｎは純水を満たしたチューブに接続した。チューブの他端は大気圧に開放される。このとき、圧力制御ポート２内に設置された押圧曲面の曲率半径１．５ｍｍの押圧体７を駆動して、２００ｇｆの荷重を閉子２４に隣接する流体素子チップ３の部分における平板２５に供給したところ、マイクロ流路５が連通して流体を通過させることができた。また、押圧体７を駆動せず圧力を供給しないときは、閉子２４によって流体の流れを完全に遮断することができた。また、実施例１〜７では、常開型のバルブであったが、本実施例では、閉止２４と平板２５とを設けることによって、常閉型のバルブとすることができた。
【００８４】
また、図１７のマイクロバルブ機構１は、低荷重でバルブを開くことができるように、閉子２４に隣接する流体素子チップ３に空隙部２６が形成されていることが好ましい。図２０は図１７のマイクロバルブ機構１に空隙部２６を形成したマイクロバルブ機構１を示した図であり、図２０（ａ）はマイクロバルブ機構１を上方から見た平面図、図２０（ｂ）は図２０（ａ）のＣ−Ｃ’線におけるバルブ閉状態の断面図、図２０（ｃ）は図２０（ａ）のＣ−Ｃ’線におけるバルブ開状態の断面図を示している。また、図２１は図２０のバルブ領域Ａにおける斜視図である。
【００８５】
図２０のマイクロバルブ機構１は、圧力制御ポート２と流体素子チップ３と支持基板４と平板２５とにより構成されている。流体素子チップ３はＰＤＭＳなどのシリコン樹脂の変形可能な弾性部材で製作される。支持基板４はガラスまたは、ＰＥＴやＰＰＰなどの熱可塑性樹脂で製作する。平板２５はガラスまたは、ＰＥＴやＰＰＰなどの熱可塑性樹脂、鉄や銅などの金属の剛性部材で製作する。
【００８６】
図２０のマイクロバルブ機構１は特定の流れの方向はもたないが、流体素子チップ３中の２つのアクセスポートは、便宜上、入口ポート（Ｉｎ）及び出口ポート（Ｏｕｔ）と呼ぶ。また、図２０のマイクロバルブ機構１において、バルブを開閉して流体の通過と遮断が行われる領域はバルブ領域Ａと呼ぶ。流体素子チップ３はマイクロ加工で製作されたマイクロ流路５と空隙部２６とが支持基板４とシールして形成されている。マイクロ流路５は流体を通す微小流路である。
【００８７】
支持基板４は流体素子チップ３とシールされる側に、マイクロ加工で製作された凸状構造の閉子２４が形成されている。閉子２４は、バルブを閉じた状態、つまり、閉子２４が流体素子チップ３に形成されたマイクロ流路５内の壁面に接触した状態で、入口ポートＩｎと出口ポートＯｕｔとが連通しないように、マイクロ流路５を遮断するように設けられている。空隙部２６は閉子２４に隣接して形成されている。流体素子チップ３は支持基板４に固着する。平板２５は閉子２４と空隙部２６との範囲にわたって流体素子チップ３上に接着されている。圧力制御ポート２は空隙部２６の部分における平板２５上に立設されている。なお、流体素子チップ３は弾性部材の変形部１３と剛性部材の非変形部１４とで構成してもよい。
【００８８】
図２０のマイクロバルブ機構１は通常は閉子２４によってマイクロ流路５が遮断されて閉じている。圧力制御ポート２内に設置された押圧体７は外部に設けられた圧力制御部８に接続されている。圧力制御部８は押圧体７を駆動して圧力を制御するコントローラである。押圧体７を駆動することによって圧力が圧力制御ポート２を介して空隙部２６の部分における平板２５に供給される。この供給された圧力が平板２５の一端部（空隙部２６の部分における平板２５）に接着された流体素子チップ３を押し下げることによって、平板２５の他端部（閉子２４の部分における平板２５）に接着された流体素子チップ３が引き上がり、閉子２４と閉子２４上の流体素子チップ３との間に空隙が生じ、マイクロ流路５が連通して流体が通過する。このようにして、閉子２４上に生じた空隙を介してマイクロ流路５が連通し、マイクロバルブ機構１が開く。なお、押圧体７は電磁駆動式などの直進型アクチュエータまたは、空気などによるガス圧、シリコンオイルなどによる静水圧を使用する。
【００８９】
図２０のマイクロバルブ機構１の開閉評価を行なった結果について説明する。流体素子チップ３はヤング率１０００Ｎ／ｃｍ2のＰＤＭＳの変形可能な弾性部材で製作し、流体素子チップ３の高さは１ｍｍとした。支持基板４はガラスで製作し、支持基板４の高さは１ｍｍとした。マイクロ流路５は幅１２０μｍ、深さ５０μｍ、閉子２４は平面形状が２ｍｍ×１２０μｍの矩形で高さ５０μｍ、空隙部２６は平面形状が２ｍｍ×１．８８ｍｍの矩形で高さ５０μｍとして形成した。
【００９０】
平板２５はガラスで製作し、平面形状が２ｍｍ×２ｍｍの矩形で高さ１ｍｍとした。平板２５と流体素子チップ３とは、両接着面を酸素プラズマで表面処理して接着した。入口ポートＩｎより水を吸い込むために１０〜２０ｋＰａの負圧を利用した。負圧は真空ポンプによって供給され、水の吸い込み制御のために真空レギュレータを使用して調節した。出口ポートＯｕｔから汲み上げられた水は真空レギュレータへの吸い込みを避けるために廃液タンクに溜められる。入口ポートＩｎは純水を満たしたチューブに接続した。チューブの他端は大気圧に開放される。このとき、圧力制御ポート２内に設置された押圧曲面の曲率半径１．５ｍｍの押圧体７を駆動して、１００ｇｆの荷重を空隙部２６の部分における平板２５に供給したところ、マイクロ流路５が連通して流体を通過させることができた。
【００９１】
図１７のマイクロバルブ機構１では、バルブを開くために押圧荷重が最低２００ｇｆ必要であったが、図２０のマイクロバルブ機構１では、空隙部２６を設けることによって、最低１００ｇｆの荷重でバルブを開くことができた。また、押圧体７を駆動せず圧力を供給しないときは、閉子２４によって流体の流れを完全に遮断することができた。したがって、図２０のマイクロバルブ機構１は、図１７のマイクロバルブ機構１を改善し、閉子２４に隣接する流体素子チップ３に空隙部２６を形成することによって、低荷重でバルブを開くことができる、すなわち、押圧体の低出力駆動が可能となる。
【００９２】
また、図２０のマイクロバルブ機構１は、流体の圧力が高い場合でもバルブ閉状態において空隙部２６から流体が通過しないように、閉子２４の幅を広げて閉子２４が空隙部２６内に突き出す構造とすることが好ましい。図２２は図２０のマイクロバルブ機構１における閉子２４を空隙部２６内に突き出す構造としたマイクロバルブ機構１を示した図であり、図２２（ａ）はマイクロバルブ機構１を上方から見た平面図、図２２（ｂ）は図２２（ａ）のＣ−Ｃ’線におけるバルブ閉状態の断面図、図２２（ｃ）は図２２（ａ）のＣ−Ｃ’線におけるバルブ開状態の断面図を示している。
【００９３】
また、図２３は図２２のバルブ領域Ａにおける斜視図である。閉子２４はバルブを閉じた状態、つまり、閉子２４が流体素子チップ３に形成されたマイクロ流路５内の壁面に接触した状態で、入口ポートＩｎと出口ポートＯｕｔとが連通しないように、マイクロ流路５を遮断するように設けられ、かつ、閉子２４は空隙部２６内に突き出す構造として、この突き出した閉子２４の部分は空隙部２６内の壁面に接触するように形成されている。
【００９４】
図２３のマイクロバルブ機構１の開閉評価を行なった結果について説明する。流体素子チップ３はヤング率１０００Ｎ／ｃｍ2のＰＤＭＳの変形可能な弾性部材で製作し、流体素子チップ３の高さは１ｍｍとした。支持基板４はガラスで製作し、支持基板４の高さは１ｍｍとした。マイクロ流路５は幅１２０μｍ、深さ５０μｍ、閉子２４は平面形状が２ｍｍ×５００μｍの矩形で高さ５０μｍ、空隙部２６は平面形状が２ｍｍ×１．８８ｍｍの矩形で高さ５０μｍとして形成した。閉子２４は、平面形状が２ｍｍ×３８０μｍの矩形で高さ５０μｍの部分が空隙部２６内に突き出すように設けられている。
平板２５はガラスで製作し、平面形状が２ｍｍ×２ｍｍの矩形で高さ１ｍｍとした。平板２５と流体素子チップ３とは、両接着面を酸素プラズマで表面処理して接着した。入口ポートＩｎより水を吸い込むために１０〜４０ｋＰａの負圧を利用した。負圧は真空ポンプによって供給され、水の吸い込み制御のために真空レギュレータを使用して調節した。出口ポートＯｕｔから汲み上げられた水は真空レギュレータへの吸い込みを避けるために廃液タンクに溜められる。入口ポートＩｎは純水を満たしたチューブに接続した。チューブの他端は大気圧に開放される。
【００９５】
このとき、圧力制御ポート２内に設置された押圧曲面の曲率半径１．５ｍｍの押圧体７を駆動して、１００ｇｆの荷重を空隙部２６の部分における平板２５に供給したところ、マイクロ流路５が連通して流体を通過させることができた。また、押圧体７を駆動せず圧力を供給しないときは、閉子２４によって流体の流れを完全に遮断することができた。したがって、図２３のマイクロバルブ機構１は、図２０のマイクロバルブ機構１を改善し、閉子２４を空隙部２６内に突き出す構造とすることによって、流体の圧力が高い場合でもバルブを閉じることができる、すなわち、流体に対して高耐圧化することが可能となる。
【００９６】
以上、本実施形態によれば、バルブの開閉を確実に行なうことができ、かつ、駆動素子チップを必要とせず流体素子チップのみのチップ構造とすることによってマイクロバルブ機構を簡素化することができる。よって、本実施例ではチップを低コスト化することが可能となる。また、マイクロ流路内に閉子を形成し、流体素子チップ上に平板を設けることによって、常閉型の押圧駆動式バルブが可能となる。さらに、流体素子チップ内に空隙部を設けて、閉子を空隙部内に突き出す構造とすることによって、押圧体の下方の流体素子チップの厚みが薄くなるため低荷重でバルブを開くことができ、かつ、空隙部の密閉性が高くなるため流体の圧力が高くてもバルブを閉じることができる。
【符号の説明】
【００９７】
１  マイクロバルブ機構
２  圧力制御ポート
３  流体素子チップ
４  支持基板
５  マイクロ流路
６  円状空隙部
７  押圧体
８  圧力制御部
９  超厚膜フォトレジスト
１０  シリコン基板
１１  楕円状空隙部
１２  凹部
１３  変形部
１４  非変形部
１５  凸部
１６  台座
１７  駆動素子チップ
１８  メンブレン
１９  弁座
２０  駆動用マイクロ流路
２１  凹状構造
２２  壁
２３  ミアンダ形流路
２４  閉子
２５  平板
２６  空隙部
【図１】
2010107051.tif 000003
【図２】
2010107051.tif 000004
【図３】
2010107051.tif 000005
【図４】
2010107051.tif 000006
【図５】
2010107051.tif 000007
【図６】
2010107051.tif 000008
【図７】
2010107051.tif 000009
【図８】
2010107051.tif 000010
【図９】
2010107051.tif 000011
【図１０】
2010107051.tif 000012
【図１１】
2010107051.tif 000013
【図１２】
2010107051.tif 000014
【図１３】
2010107051.tif 000015
【図１４】
2010107051.tif 000016
【図１５】
2010107051.tif 000017
【図１６】
2010107051.tif 000018
【図１７】
2010107051.tif 000019
【図１８】
2010107051.tif 000020
【図１９】
2010107051.tif 000021
【図２０】
2010107051.tif 000022
【図２１】
2010107051.tif 000023
【図２２】
2010107051.tif 000024
【図２３】
2010107051.tif 000025
【図２４】
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