(57)【要約】【課題】            微少流量の流体を効率よく連続的に混合するマイクロマシンの一種であるマイクロミキサーおよびマイクロミキサーチップ並びにこれらを利用したマイクロセンサーの提供。【解決手段】        複数の微少流体の連続混合装置であって、流体の導入によって混合槽内に同一方向の旋回流を生じる流体導入口を備え、それぞれの流体導入口は混合槽への導入流体が作る実質的に第１周目の旋回流面上にあり、好ましくは上記第１周目の旋回流面上と異なる位置に流体出口を設け、混合槽に静電アクチエーターとダイアフラムからなる振動型攪拌機を備えたマイクロミキサーおよびマイクロミキサーチップ並びにこれらを利用したマイクロセンサーである。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の微少流体の連続混合装置であって、流体の導入によって混合槽内に同一方向の旋回流を生じる流体導入口を備え、それぞれの流体導入口は混合槽への導入流体が作る実質的に第１周目の旋回流面上にあるマイクロミキサー。
【請求項２】
複数の微少流体の連続混合装置であって、それぞれの流体導入口は混合槽内の実質的に同一平面上にあり、それぞれの流体導入方向が該平面の中心に向かう方向に対して同じ側へずれているマイクロミキサー。
【請求項３】
混合槽に攪拌機を備えた請求項１または２に記載のマイクロミキサー。
【請求項４】
攪拌機が静電アクチエーターとダイアフラムからなる振動型攪拌機である請求項３に記載のマイクロミキサー。
【請求項５】
攪拌機が超音波振動型攪拌機である請求項３に記載のマイクロミキサー。
【請求項６】
基盤上に流体導入用マイクロポンプ、流体導入路、請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロミキサーおよび流体導出路を順次接続して形成したマイクロミキサーチップ。
【請求項７】
流体導入路、混合槽および流体導出路の少なくともいずれかひとつにセンサー素子、および／または温度制御装置を備えた請求項６に記載のマイクロミキサーチップ。
【請求項８】
請求項６または７に記載のマイクロミキサーチップを備えたマイクロセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロミキサー、マイクロミキサーチップおよびマイクロセンサーに関し、詳しくは微少流量の流体を簡便に確実に混合することのできるマイクロミキサー、マイクロミキサーチップおよびこれらを備えたマイクロセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロマシン分野の中でも流体を取り扱うマイクロマシンは特別の注意が必要であった。流体の壁面との摩擦、表面の性状などの影響が通常スケールの流体の取扱いとは異なったものとなる場合があるからである。特に流体の移送や混合は通常スケールの化学工学的操作方法が適用できない場合があった。しかし、まずは微少流量の流体を移送したり、混合したりする装置、設備の製造方法の開発に重点が置かれ、これらの問題にはあまり注意が払われていなかった。例えば、特許文献１にはマイクロポンプ、マイクロミキサー、マイクロ機械デバイスなどが開示されているが、その効率のよい製造方法についての発明が要旨となっており、それぞれの機械の構造を微少流体の挙動に対応して特別の考慮をしている記載はない。例えば、マイクロミキサーは上下二つの流体流路の交差部に微小な孔を多数配列する構造としてミキサー部としているのみである。
【０００３】
ところが、最近は微少流体の混合現象に対する制御の必要性が認識され各種の試みがなされている。例えば、特許文献２にはマイクロ化学チップとして微少２流体の混合に多数の屈曲部を有する流路の利用が開示されている。特許文献３では混合流体の流路を多段にした後これを連結して混合効率を上げている。特許文献４には微少液体をパルス化して交互に導入して混合液体を製造する装置が開示されている。特許文献５には流路の形状とじゃま板の組み合わせによるマイクロチャンネルチップが開示されている。特許文献６には電気浸透法を利用した混合装置が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３５５７９８号公報
【特許文献２】特開２００４−３１７４３９号公報
【特許文献３】特開２００４−２９４４１７号公報
【特許文献４】特開２００４−５３１３６９号公報
【特許文献５】特開２００４−２０２６１３号公報
【特許文献６】特開２００４−１５６９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように流体を扱うマイクロマシン、特にマイクロミキサーにおいては流体の確実な混合を目指して各種の方法が検討されている。しかし、混合効率、装置の構造や製作上の簡便性、適用範囲、信頼性などの点からすべてを満足できるものはなかった。本発明では簡単な構造で耐久性があり、混合効率のよい、また多種類の微少流体をも混合できるマイクロミキサー、マイクロミキサーチップおよびこれらを利用したマイクロセンサーの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の課題を解決するための手段は以下のとおりである。  
（１）複数の微少流体の連続混合装置であって、流体の導入によって混合槽内に同一方向の旋回流を生じる流体導入口を備え、それぞれの流体導入口は混合槽への導入流体が作る実質的に第１周目の旋回流面上にあるマイクロミキサーである。
（２）複数の微少流体の連続混合装置であって、それぞれの流体導入口は混合槽内の実質的に同一平面上にあり、それぞれの流体導入方向が該平面上の中心に向かう方向に対して同じ側へずれているマイクロミキサーである。
（３）混合槽に攪拌機を備えた（１）または（２）に記載のマイクロミキサーである。
（４）攪拌機が静電アクチエーターとダイアフラムからなる振動型攪拌機である（３）に記載のマイクロミキサーである。
（５）攪拌機が超音波振動型攪拌機である（３）に記載のマイクロミキサーである。
（６）基盤上に流体導入用マイクロポンプ、流体導入路、（１）〜（５）のいずれかに記載のマイクロミキサーおよび流体導出路を順次接続して形成したマイクロミキサーチップである。
（７）流体導入路、混合槽および流体導出路の少なくともいずれかひとつにセンサー素子、および／または温度制御装置を備えた（６）に記載のマイクロミキサーチップである。
（８）  （６）または（７）に記載のマイクロミキサーチップを備えたマイクロセンサーである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のマイクロミキサーは簡単な構造で耐久性がある微小のミキサーであり、とくに攪拌機を備えれば混合効率が非常によい、また多種類の微少流体をも混合できる装置である。このような混合装置は反応装置としても利用が可能である。反応原料である流体の混合が十分に行われれば、反応も効率よく行われる。その意味ではマイクロリアクターとも言える。特に、微少量の反応物の反応装置なので温度制御が容易で、大きな発熱や吸熱を伴う反応には好適な反応装置である。また、基盤上への作成が容易なマイクロミキサーであるのでマイクロミキサーチップとして使用でき、これを利用したマイクロセンサーとしても好適なものである。被測定流体を吸入して測定用試薬等を混合してセンサー素子により必要な性状等を測定することがチップひとつで可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
マイクロマシンの厳密な定義はないが、広義の定義ではおよそ１０ｍｍ以下の要素部品で構成された機械を指している。最近は１０〜１ｍｍの要素部品で構成されているものをミリマシン、１ｍｍ未満の要素部品で構成されているものをマイクロマシンと区分けしている場合もある。本発明のマイクロミキサー等は、およそ１０ｍｍ以下の要素部品で構成された機械であり、広義の定義であるマイクロマシンのひとつである。
【０００９】
本発明のマイクロミキサーは複数の微少流体の連続混合装置である。ここで言う微少流体とは上述のマイクロマシンの範疇の要素部品に通常導入できる程度の流量である。例えば、水のような適度な粘度の液体であればおよそ１０ｍｌ／分以下好ましくは１ｍｌ／分以下である。線速度にして１０ｍ／秒以下、好ましくは０．１ｍ／秒以下で取り扱う場合が多い。流体がガスの場合は適用流量および線速度は水の場合の１０倍程度まで増やすことができる。粘性の高い液体の場合は流量は少なくすべきである。レイノルズ数ではおよそ１００以下、通常は１０以下となる場合が多い。このような領域では流体は乱流状態になることはなく、層流としての挙動を示す。このため通常は二つの流体を一つの流路に合流しても内部の流体は２層流のまま流れていく場合が多い。従来は、図３に示すように第１の導入流体流路９と第２の導入流体流路１０を合流する部分を細くして流速を上げたり、合流した下流の混合槽３に邪魔板１１やオリフィスなどを設置して２流体の混合を図っていた。これは、合流する部分の流路を細くすることにより、流速を上げて流れを乱流としたり、邪魔板やオリフィスの下流に発生する流れの乱れの効果を利用して混合しようとするものである。しかし、微小流量を扱う流路の太さは通常は数ｍｍ以下、多くは数百μｍ程度である。このような流路中で乱流となる流速にするためには流速を非常に大きくせねばならず流路抵抗が膨大になり現実的ではない。したがってこのような方法では効果的な混合が難しかった。
【００１０】
本発明のマイクロミキサーはこのような微少流量で層流領域の流体を効果的に混合する連続混合装置である。図１に示すように本発明のマイクロミキサーは複数（図１では２箇所、図４では３箇所）の流体導入口がある。
【００１１】
混合槽では流体の導入によって混合槽内に同一方向の旋回流を生じるように流体導入口が設置されている。それぞれの流体導入口は混合槽への導入流体が作る実質的に第１周目の旋回流面上にある。例えば図５の説明図に示すように、円筒形の混合槽３の最下端にほぼ対向してふたつの流体導入口１，２がそれぞれ円周方向に向かって流体を導入する構造に設置されている構造ならばよい。それぞれの流体は混合槽３の底面に沿って第１周目の旋回流１３，１４を発生する。それぞれの第１周目の旋回流１３，１４は実質的に平面を作る（実際には、上方への渦巻流となっており厳密な平面ではないが平面とみなす。）。これを仮想的に第１周目の旋回流面と呼んでいる。そしてこれらふたつの旋回流１３，１４の作る旋回流面は重なっていることになる。すなわち複数の流体導入口から混合槽内に流体を導入する際、これらの流体の導入口は流体の流入方向を示す直線が実質的に互いに同一平面上にあり、混合槽とその平面が作る断面の形状の実質的な中心方向に対して同じ方向にずれた流体の流れ方向があるような構造をしていることが好ましい。少なくともひとつの導入流体が十分な旋回流を形成しておれば、他の流体導入口はこの旋回流を妨げない程度の流体導入方向であればどのような構造でもよい。
【００１２】
混合槽３の第１周目の旋回流面と異なる位置に流体出口を設けることにより、旋回流は旋回を続けながら渦巻流となって流体出口方向に向かっていく。図５では混合槽３の最上部に流体出口８を設けてある。このようにすることにより、複数の流体は互いに同じ旋回流を作りながら流速を落とすことなく流体出口に向かっていく。これにより複数の流体は効果的な混合をすることができる。混合槽は旋回流ができ易く、旋回流の抵抗になり難い形状が好ましい。具体的には図５に示したような円筒形が優れた構造である。楕円筒や球、円錐、円錐台、卵型なども流体の性質、量比などによっては好適な形状である。また、混合槽中央部は旋回流の流速が遅くなるので中空円筒状の混合槽も好適な形状である。この中空部分を流体出口の流路として利用してもよい。混合槽の大きさおよび流体導入口の構造は導入流量および流体の粘度等との関係で決める必要がある。少なくとも第１周目の旋回流が形成される構造とする必要がある。流体流量に対して混合槽があまり大きすぎたり、小さすぎると旋回流が形成されないで出口方向に流体が直接流れてしまう恐れがある。
【００１３】
流体導入口は図５では混合槽の円周方向に向けて配管を設置した構造を示しているが、混合槽の中心や上方へ向けて流体が流入する構造の配管として混合槽内部の流体導入部で流体方向ガイド板等により流体の方向を所望の方向に転換する構造でもよい。また、混合槽の形状として流体が滞留してしまう所謂デッドスペースが生ずる構造は好ましくない。よって流体出口の位置は流体導入口から遠い位置とすることが好ましい。図５のような構造はこの点から好ましい形態である。円錐や円錐台形の混合槽で底面側に流体導入口があり、頂点側の中心に流体出口がある構造も好ましい形態である。また、混合槽３の第１周目の旋回流面と同じ面の実質的に中央位置に流体出口を設けることにより、旋回流は旋回を続けながら渦巻流となって流体出口方向に向かっていく。この場合は、混合槽３は第１周目の旋回流面より上の通常出口配管と見える部分で第２回目の旋回流の部分をも含んでいるものとみなし、本発明で言う流体出口はさらにその下流であると考えてもよい。
【００１４】
他の態様の本発明のマイクロミキサーは、複数の微少流体の連続混合装置であって、それぞれの流体導入口は混合槽内の実質的に同一平面上にあり、それぞれの流体導入方向が該平面上の中心に向かう方向に対して同じ側へずれている構造でもよい。流体導入口のある実質的に平面上の中心に向かって流体を導入すれば、流体はほとんど旋回流を生じない。しかし、導入流体の導入方向が中心に向かって例えば右側にずれていれば、流体はまず混合槽内の右側に流れ込み、該平面上で左向きの旋回流となる。それぞれの導入口の流体導入方向が同じように中心に向かって例えば右側にずれていれば同じ方向の旋回流を作る。このようにすれば、上述の旋回流と同じ効果を持つ混合槽となり、すなわち同じ効果を持つマイクロミキサーとなる。なお、流体出口については、上述同様流体導入口の平面から遠い位置とすることが好ましい。図１，２，４，５，６は本態様の発明の説明図でもある。
【００１５】
上述のマイクロミキサーは混合槽に攪拌機を設けることが好ましい。特に、高粘度の流体や混合槽内の旋回流の流速が遅くなる場合には攪拌機は有効な混合補助手段となる。撹拌機としては、混合槽内に邪魔板や撹拌翼などを設置したものでもよいが、静電アクチエーター（ピエゾ素子）を作動源としたダイアフラムによる振動を利用したり、超音波発生装置による超音波振動を利用する方法が好ましい。このような方法は小型化が容易で所要電力も少なくマイクロマシンに利用されることが多い。特に、静電アクチエーターとダイアフラムを組み合わせたマイクロポンプはすでに多くの使用例があり、これを応用すれば容易に攪拌機ができる。
【００１６】
十分な混合が難しい高粘度流体などは混合槽内で旋回流を作っても、それぞれ十分に混ざり合わないで旋回しながら流れていく可能性がある。すなわち捻じり飴のような状態で流体出口方向に流れていく。これを攪拌機により撹拌して混合を補助すれば十分な混合ができる。この場合、流体の旋回流面と垂直に、すなわち捻じり飴の縦方向から振動を与えてやることが効果的である。図５で説明すれば、攪拌機４は混合機３の下部に設置した静電アクチエーターとダイアフラムからなる振動型攪拌機または超音波振動型攪拌機が好適である。攪拌機を備えれば撹拌効果が高まるので混合槽を小さくすることができる。
【００１７】
上述のマイクロミキサーはこれを単独の部品とするよりは、基盤上に流体導入用マイクロポンプ、流体導入路、上述のマイクロミキサー、流体導出路を順次接続してマイクロミキサーチップとすれば使い易い。マイクロミキサーには攪拌機を備えていればさらに好ましいものとなる。図２および図６にマイクロミキサーチップの例を示す。このようにして、微少流体の混合装置や反応装置として各種目的に使用できる。また、基盤上にこのようなマイクロミキサーチップを複数搭載し混合流体の量を確保することもできる。特に、混合流体が混合や反応により大きな発熱や吸熱を伴う場合は有効な装置である。
【００１８】
図６に示すようなマイクロミキサーチップとする場合、ポンプとしてはピエゾ素子とダイアフラムを組み合わせたダイアフラムポンプを使用するとよい。導入流体に脈流が発生してミキサーでの混合に好影響がある場合がある。また、混合槽はできるだけ薄くして流体出口から流出した流体の流路は基盤上に接するようにすれば非常に薄いチップとすることができる。図６では混合効果を上げるために混合槽３の上にダイアフラム式攪拌機４を設置している。
【００１９】
さらに、このようなマイクロミキサーチップを利用して小型の反応器としたり、センサーとしたりすることができる。例えば、被測定溶液のＰＨを調整してから化学物質の濃度測定をする場合、被測定溶液とＰＨ調整用緩衝液を吸入混合し、流体導出路中に化学物質測定用の濃度センサー素子を備えておれば溶液の化学物質測定用センサーとして使用できる。必要に応じて混合槽等にヒーターや冷却用の金属フィンを設置すれば温度制御も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明のマイクロミキサーおよびマイクロミキサーチップは微少流量の流体を扱う各種の装置部品として利用できる。特に、微少量の反応を定量的に測定する必要のある反応器やセンサー、生体関連物質測定器などには好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は本発明のマイクロミキサーの説明図で、Ａは平面図、Ｂは正面図である。
【図２】図２は本発明のマイクロミキサーチップの説明図で、Ａは平面図、Ｂは正面図である。
【図３】図３は従来のマイクロミキサーの説明図である。
【図４】図４は本発明のマイクロミキサーの他の例の説明図で、Ａは平面図、Ｂは正面図である。
【図５】図５は本発明のマイクロミキサーの流体の流れ状態を示す説明図である。
【図６】図６は本発明のマイクロミキサーチップの説明用斜視図である。
【符号の説明】
【００２２】
１：第１の流体導入口    ２：第２の流体導入口        ３：混合槽        ４：攪拌機
５：マイクロポンプ      ６：静電アクチエーター      ７：第３の流体導入口
８：流体出口            ９：第１の導入流体流路      １０：第２の導入流体流路
１１：邪魔板            １２：第３の導入流体流路    １３：第１の流体による第１周目の旋回流              １４：第２の流体による第１周目の旋回流
１５：第２周目の旋回流  １６：流体導出路            １７：マイクロミキサーチップ
１８：基盤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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