(57)【要約】【課題】  本発明は、マイクロ全分析システムに容易に組み込むことができる簡単な構造で、微細流路内の流体を一方向のみに輸送し、逆流しないマイクロバルブを提供する。【解決手段】  流体注入用の開口部が下壁に形成され、流体排出用の開口部が上壁に形成されているバルブ室内に板状の浮遊弁体が収納されており、該開口部及び浮遊弁体の形状及び大きさは、該浮遊弁体が下壁に接地した際は流体注入用の開口部を閉鎖し、上壁に接地した際は流体排出用の開口部を一部分開口部分を残して閉鎖し且つ浮遊弁体が流体排出用の開口部内に流入しない形状及び大きさであることを特徴とするマイクロバルブ。【選択図】  図１
2006214837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体注入用の開口部が下壁に形成され、流体排出用の開口部が上壁に形成されているバルブ室内に板状の浮遊弁体が収納されており、該開口部及び浮遊弁体の形状及び大きさは、該浮遊弁体が下壁に接地した際は流体注入用の開口部を閉鎖し、上壁に接地した際は流体排出用の開口部を一部分開口部分を残して閉鎖し且つ浮遊弁体が流体排出用の開口部内に流入しない形状及び大きさであることを特徴とするマイクロバルブ。
【請求項２】
流体注入用の開口部及び浮遊弁体が円形であり、流体排出用の開口部が略長円形又は略長方形であって、浮遊弁体の直径は流体注入用の開口部の直径より大きく且つ流体排出用の開口部の短径又は短辺より大きく、長径又は長辺より小さいことを特徴とする請求項１記載のマイクロバルブ。
【請求項３】
第１の板状基板、略長円形又は略長方形の流体排出用の開口部が打抜かれている又は溝状に穿設されている第２の板状基板、略円形のバルブ室及び流体排出用の貫通孔ａが打抜かれている第３の板状基板並びに略円形の流体注入用の開口部及び流体排出用の貫通孔ｂが打抜かれている第４の板状基板が、流体排出用の開口部の一部とバルブ室と流体注入用の開口部及び流体排出用の開口部の一部と貫通孔ａと貫通孔ｂが略一直線になるように、この順に積層され、バルブ室に浮遊弁体が収納されていることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロバルブ。
【請求項４】
流体排出用の貫通孔が打抜かれている第１の板状基板、略長円形又は略長方形の流体排出用の開口部が打抜かれている第２の板状基板、略円形のバルブ室が打抜かれている第３の板状基板並びに略円形の流体注入用の開口部が打抜かれている第４の板状基板が、流体排出用の開口部の一部とバルブ室と流体注入用の開口部及び流体排出用の開口部の一部と流体排出用の貫通孔が略一直線になるように、この順に積層され、バルブ室に浮遊弁体が収納されていることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロバルブ。
【請求項５】
第１の板状基板、略長円形又は略長方形の流体排出用の開口部が打抜かれ又は溝状に穿設され、該開口部が基板の側壁に達している第２の板状基板、略円形のバルブ室が打抜かれている第３の板状基板及び略円形の流体注入用の開口部が打抜かれている第４の板状基板が、流体排出用の開口部とバルブ室と流体注入用の開口部が略一直線になるように、この順に積層され、バルブ室に浮遊弁体が収納されていることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ全分析システムにおいて微細流路内の流体を一方向のみに輸送し、逆流しないマイクロバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、医療診断を患者の近傍で行うベッドサイド診断、大気や水や土壌中の環境汚染材料のモニタリング、食品の安全性検査等現場において短時間に安価に診断したり分析する技術のニーズは非常に高くなってきている。
【０００３】
例えば、従来、高価且つ大型の装置を必要とした分析を、持ち運び可能な小型の分析装置が代替できれば、大病院にしか設置できなかった分析装置を開業医でも設置、利用することが可能になり、診断結果を患者に簡便に早期にフィードバックすることが可能になる。
【０００４】
又、高齢者の健康指標を高齢者の家族が測定し、その健康指標数値を在宅管理したり、病院に定期的に送信して病院で管理することにより在宅医療環境がより優れたものとなる。
【０００５】
又、環境ホルモン、ダイオキシン等の環境汚染材料を、高価且つ大型装置を使用することなく、簡易測定することができれば、簡単且つ安価に環境診断することができる。更に、持ち運び可能な小型の分析装置を用いて現場で環境汚染材料を分析することができれば、よりきめ細かい安全環境を供出することができる。
【０００６】
このような測定を簡易に行うために、基板内又は基板上に微細流路、輸液ディバイス、反応槽、電気泳動カラム、膜分離機構、液体クロマトグラフカラム、キャピラリーガスクロマトグラフィー（ＣＧＣ）、誘導型プラズマ（ＩＣＰ）、質量分析計（ＭＳ）、電気化学的測定装置等が内臓されたマイクロ全分析システムの研究が盛んになされており、微細流路の開閉や流量調整のためのマイクロバルブの研究も盛んになされている。
【０００７】
例えば、表面に溝を有する部材（Ａ）の溝が形成された面に、０．５〜５００μｍの厚みを有する部材（Ｂ）が接着され、部材（Ａ）の溝と部材（Ｂ）とで幅１〜１０００μｍ、高さ１〜１０００μｍの毛細管状の流路が形成され、該流路の途上に、幅が毛細管状の流路幅の０．５〜１００倍で、該空隙部の最大高さ／最大幅の比が１以下である空隙部が形成されたマイクロ流体デバイスであって、（ｉ）部材（Ａ）の少なくとも空隙部周辺部が引張弾性率０．１ＭＰａ以上、７００ＭＰａ未満の範囲にある素材で形成され、（ｉｉ）部材（Ｂ）の少なくとも空隙部周辺部が、引張弾性率０．７〜１０ＧＰａの範囲にある素材で形成され、かつ厚みが０．５〜５００μｍである、マイクロ流体デバイスの該空隙部を、部材（Ｂ）側から選択的に圧迫することにより、マイクロ流体デバイス内の空隙部の断面積を可逆的に減少させて、空隙部を通過する流体流量を調節するマイクロ流体デバイスの流量調節方法（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−２１９６９７号公報
【０００８】
上記マイクロ流体デバイスの流量調節方法においては、マイクロ流体デバイスの外部からマイクロ流体デバイス内の空隙部に機械的圧力を付加し、空隙部の断面積を可逆的に減少させて、空隙部を通過する流体流量を調節するのであり、微量の流体流量を調節するすることは不可能であり、流体の逆流を阻止するには必要な時間の間絶えず機械的圧力を付加しておく必要があり、実用に供することは不可能であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上記欠点に鑑み、マイクロ全分析システムに容易に組み込むことができる簡単な構造で、微細流路内の流体を一方向のみに輸送し、逆流しないマイクロバルブを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載のマイクロバルブは、流体注入用の開口部が下壁に形成され、流体排出用の開口部が上壁に形成されているバルブ室内に板状の浮遊弁体が収納されており、該開口部及び浮遊弁体の形状及び大きさは、該浮遊弁体が下壁に接地した際は流体注入用の開口部を閉鎖し、上壁に接地した際は流体排出用の開口部を一部分開口部分を残して閉鎖し且つ浮遊弁体が流体排出用の開口部内に流入しない形状及び大きさであることを特徴とする。
【００１１】
請求項１記載のマイクロバルブを図面を参照して説明する。図１は請求項１記載のマイクロバルブの一例を示す断面図であり、図２は平面図である。
【００１２】
図中１はマイクロ全分析システムであり、マイクロ全分析システム１内に平面視円形のバルブ室２が形成されている。バルブ室２の下壁２１の略中心に流体注入用の開口部４が形成され、マイクロ全分析システム１の外部から連通されている。
【００１３】
又、バルブ室２の上壁２２には流体排出用の開口部５が形成され、流体排出用の開口部５に形成された微細流路６によりマイクロ全分析システム１の外部に連通されている。流体注入用の開口部４及び微細流路６は断面略円形の貫通孔であり、流体排出用の開口部５は長円形である。
【００１４】
バルブ室２内には、平面視円形であって、バルブ室の深さよりも薄い板状の浮遊弁体３が収納されており、流体注入用の開口部４、流体排出用の開口部５及び浮遊弁体３の形状及び大きさは、浮遊弁体３が下壁２１に接地した際は流体注入用の開口部４を閉鎖し、上壁２２に接地した際は流体排出用の開口部５を一部分開口部分を残して閉鎖し且つ浮遊弁体３が流体排出用の開口部５内に流入しない形状及び大きさになされている。
【００１５】
即ち、浮遊弁体３の直径は、流体注入用の開口部４の直径より大きく、バルブ室２の半径と流体注入用の開口部４の半径の合計値より大きく且つバルブ室２の直径より小さくなされており、浮遊弁体３が下壁２１に接地した際は流体注入用の開口部４を常に閉鎖する大きさになされている。
【００１６】
又、浮遊弁体３の直径は、流体排出用の開口部５の短径より大きく、長径より小さくなされており、浮遊弁体３が上壁２２に接地した際は、流体排出用の開口部５を一部分開口部分を残して閉鎖し且つ浮遊弁体３が流体排出用の開口部５内に流入しない大きさになされている。
【００１７】
従って、流体注入用の開口部４から流体を注入すると、浮遊弁体３が浮上して流体はバルブ室２に注入され、浮遊弁体３が浮上して上壁２２に接地しても流体排出用の開口部５は開口部が一部分残っているのでその開口部から微細流路６を通って送られる。又、流体が逆流しようとすると、浮遊弁体３が下壁２１に押し付けられ流体注入用の開口部４が閉鎖されるので逆流が防止される。
【００１８】
上記バルブ室２及び浮遊弁体３の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、円形
、楕円形、三角形、正方形、長方形、六角形、長円形等が挙げられるが、浮遊弁体３が回転しても、浮遊弁体３が下壁２１に接地した際は流体注入用の開口部４を常に閉鎖する必要があり、上壁２２に接地した際は流体排出用の開口部５を一部分開口部分を残して閉鎖し且つ浮遊弁体３が流体排出用の開口部５内に流入しない形状である必要があるので、バルブ室２及び浮遊弁体３は円形が好ましい。
【００１９】
上記流体排出用の開口部５の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、円形、楕円形、三角形、正方形、長方形、六角形、長円形、やつで形等が挙げられるが、浮遊弁体３が上壁２２に接地した際は流体排出用の開口部５を一部分開口部分を残して閉鎖し且つ浮遊弁体３が流体排出用の開口部５内に流入しない形状である必要があるので、流体排出用の開口部５は長方形又は長円形が好ましい。
【００２０】
上記流体流入用の開口部４の形状も、特に限定されるものではなく、例えば、円形、楕円形、三角形、正方形、長方形、六角形、長円形等が挙げられ、浮遊弁体３が下壁２１に接地した際は常に閉鎖される必要があるので、流体注入用の開口部４のはバルブ室３の下壁２１の略中央に形成されるのが好ましい。又、流体注入用の開口部４の直径は微細なので、レーザー加工やマシニング等各種微細加工で形成するのが好ましく、従って断面形状は円形が好ましい。
【００２１】
尚、流体注入用の開口部４及び微細流路６は、マイクロ全分析システム１内の異なる微細流路に接続されてよいことは言うまでもない。
【００２２】
マイクロ全分析システムは、一般に、板状基板を積層し、板状基板の間に微細流路、マイクロバルブ、反応槽、測定槽等を形成することにより製造されており、本発明のマイクロバルブも板状基板を積層することにより製造されるのが好ましい。
【００２３】
即ち、請求項３記載のマイクロバルブは、第１の板状基板、略長円形又は略長方形の流体排出用の開口部が打抜かれている又は溝状に穿設されている第２の板状基板、略円形のバルブ室及び流体排出用の貫通孔ａが打抜かれている第３の板状基板並びに略円形の流体注入用の開口部及び流体排出用の貫通孔ｂが打抜かれている第４の板状基板が、流体排出用の開口部の一部とバルブ室と流体注入用の開口部及び流体排出用の開口部の一部と貫通孔ａと貫通孔ｂが略一直線になるように、この順に積層され、バルブ室に浮遊弁体が収納されていることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロバルブである。
【００２４】
請求項３記載のマイクロバルブを図面を参照して説明する。図３は請求項３記載のマイクロバルブの一例を示す分解図である。
【００２５】
図中７は、第１の板状基板であり、貫通孔は穿設されておらず、流体排出用の開口部５のふたをする基板である。８は、略長円形の流体排出用の開口部５が打抜かれている第２の板状基板である。尚、流体排出用の開口部５は第２の板状基板８に溝状に穿設されてもよい。
【００２６】
９は、略円形のバルブ室２及び流体排出用の貫通孔ａ６１が打抜かれている第３の板状基板である。バルブ室２の直径は流体排出用の開口部５の短径より大きく、流体排出用の開口部５の長径はバルブ室２の直径と流体排出用の貫通孔ａ６１の直径の合計より大きくなされている。第２の板状基板８と第３の板状基板９を重ね合わせると、流体排出用の開口部５にバルブ室２と流体排出用の貫通孔ａ６１は連通するように打抜かれている。
【００２７】
３は、略円形であって、第３の板状基板よりも薄い板状の浮遊弁体である。浮遊弁体３の直径はバルブ室２の直径より短く、流体排出用の開口部５の短径より大きく、且つ、バ
ルブ室２の半径と流体注入用の開口部４の半径の合計より大きくなされている。
【００２８】
１０は、略円形の流体注入用の開口部４及び流体排出用の貫通孔ｂ６２が打抜かれている第４の板状基板であり、第３の板状基板９と第４の板状基板１０を重ね合わせると流体注入用の開口部４はバルブ室２の略中央に位置し、流体排出用の貫通孔ａ６１と流体排出用の貫通孔ｂ６２は連通するように打抜かれている。
【００２９】
第１の板状基板７、第２の板状基板８、第３の板状基板９及び第４の板状基板１０をこの順に積層すると、流体排出用の開口部５の一部とバルブ室２と流体注入用の開口部４及び流体排出用の開口部５の一部と貫通孔ａ６１と貫通孔ｂ６２が略一直線になるように積層される。
【００３０】
バルブ室２に浮遊弁体３を収納することにより、第４の板状基板１０の流体注入用の開口部４からバルブ室２を通過して第４の板状基板１０の流体排出用の貫通孔ｂ６２にむけて流体が流れるマイクロバルブが形成される。又、流体が逆流しようとすると、浮遊弁体３が第４の基板１０に押し付けられ流体注入用の開口部４が閉鎖されて逆流が防止される。
【００３１】
請求項４記載のマイクロバルブは、流体排出用の貫通孔が打抜かれている第１の板状基板、略長円形又は略長方形の流体排出用の開口部が打抜かれている第２の板状基板、略円形のバルブ室が打抜かれている第３の板状基板並びに略円形の流体注入用の開口部が打抜かれている第４の板状基板が、流体排出用の開口部の一部とバルブ室と流体注入用の開口部及び流体排出用の開口部の一部と流体排出用の貫通孔が略一直線になるように、この順に積層され、バルブ室に浮遊弁体が収納されていることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロバルブである。
【００３２】
請求項４記載のマイクロバルブを図面を参照して説明する。図４は請求項４記載のマイクロバルブの一例を示す分解図である。
【００３３】
図中７は、流体排出用の開口部５のふたをする第１の板状基板であり、流体排出用の貫通孔６３が打抜かれている。８は、略長円形の流体排出用の開口部５が打抜かれている第２の板状基板である。尚、流体排出用の開口部５は、第２の板状基板８に溝状に穿設されおり、流体排出用の貫通孔６３に接続する部分だけが打抜かれていてもよい。
【００３４】
９は、略円形のバルブ室２が打抜かれている第３の板状基板であり、バルブ室２の直径は流体排出用の開口部５の短径より大きく、流体排出用の開口部５の長径はバルブ室２の直径の直径より大きくなされている。第２の板状基板８と第３の板状基板９を重ね合わせると、流体排出用の開口部５にバルブ室２は連通するように打抜かれている。
【００３５】
３は、略円形であって、第３の板状基板よりも薄い板状の浮遊弁体である。浮遊弁体３の直径はバルブ室２の直径より短く、流体排出用の開口部５の短径より大きく、且つ、バルブ室２の半径と流体注入用の開口部４の半径の合計より大きくなされている。
【００３６】
１０は、略円形の流体注入用の開口部４が打抜かれている第４の板状基板であり、第３の板状基板９と第４の板状基板１０を重ね合わせると流体注入用の開口部４はバルブ室２の略中央に位置するように打抜かれている。
【００３７】
第１の板状基板７、第２の板状基板８、第３の板状基板９及び第４の板状基板１０をこの順に積層すると、流体排出用の開口部５の一部とバルブ室２と流体注入用の開口部４及び流体排出用の開口部５の一部と貫通孔６３が略一直線になるように積層される。
【００３８】
バルブ室２に浮遊弁体３を収納することにより、第４の板状基板１０の流体注入用の開口部４からバルブ室２を通過して第１の板状基板７の流体排出用の貫通孔６３にむけて流体が流れるマイクロバルブが形成される。又、流体が逆流しようとすると、浮遊弁体３が第４の基板１０に押し付けられ流体注入用の開口部４が閉鎖されて逆流が防止される。
【００３９】
又、請求項５記載のマイクロバルブは、第１の板状基板、略長円形又は略長方形の流体排出用の開口部が打抜かれ又は溝状に穿設され、該開口部が基板の側壁に達している第２の板状基板、略円形のバルブ室が打抜かれている第３の板状基板及び略円形の流体注入用の開口部が打抜かれている第４の板状基板が、流体排出用の開口部とバルブ室と流体注入用の開口部が略一直線になるように、この順に積層され、バルブ室に浮遊弁体が収納されていることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロバルブである。
【００４０】
請求項５記載のマイクロバルブを図面を参照して説明する。図５は請求項５記載のマイクロバルブの一例を示す分解図である。
【００４１】
図中７は第１の板状基板であり、貫通孔は穿設されておらず、流体排出用の開口部５のふたをする基板である。８は、第２の板状基板であり、略長円形の流体排出用の開口部５及び開口部５の端部から第２の板状基板８の端部に連通している流体排出用の微細流路６４が打抜かれている。尚、流体排出用の微細流路６４は溝状に穿設されてもよい。
【００４２】
９は、略円形のバルブ室２が打抜かれている第３の板状基板であり、バルブ室２の直径は流体排出用の開口部５の短径より大きく、流体排出用の開口部５の長径はバルブ室２の直径の直径より大きくなされている。第２の板状基板８と第３の板状基板９を重ね合わせると、流体排出用の開口部５にバルブ室２が連通するように打抜かれている。
【００４３】
３は、円形であって、第３の板状基板よりも薄い板状の浮遊弁体である。浮遊弁体３の直径はバルブ室２の直径より短く、流体排出用の開口部５の短径より大きく、且つ、バルブ室２の半径と流体注入用の開口部４の半径の合計より大きくなされている。
【００４４】
１０は、略円形の流体注入用の開口部４が打抜かれている第４の板状基板であり、第３の板状基板９と第４の板状基板１０を重ね合わせると流体注入用の開口部４はバルブ室２の略中央に位置するように打抜かれている。
【００４５】
第１の板状基板７、第２の板状基板８、第３の板状基板９及び第４の板状基板１０をこの順に積層すると、流体排出用の開口部５の一部とバルブ室２と流体注入用の開口部４が略一直線になるように積層される。
【００４６】
バルブ室２に浮遊弁体３を収納することにより、第４の板状基板１０の流体注入用の開口部４からバルブ室２を通過して第２の板状基板８の流体排出用の微細流路６４にむけて流体が流れるマイクロバルブが形成される。又、流体が逆流しようとすると、浮遊弁体３が第４の基板１０に押し付けられ流体注入用の開口部４が閉鎖されて逆流が防止される。
【００４７】
上記第１〜４の板状基板及び浮遊弁体の素材は、特に限定されるものではなく、例えば、従来から使用されている、ガラス、石英、シリコン等の無機材料、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が挙げられる。
【００４８】
上記無機材料は精度、加工性等が優れており、例えば、半導体微細加工技術において広く用いられている光リソグラフィー技術を利用すれば、ガラスやシリコン基板上にミクロンオーダーの溝や貫通孔を自在に形成することができる。
【００４９】
上記熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリ乳酸系樹脂、ポリアクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂等が挙げられ、耐酸性、耐アルカリ性を有する熱可塑性樹脂であるポリオレフィン系樹脂やポリアクリル系樹脂が好ましい。
【００５０】
又、熱硬化性樹脂は、前駆体が液状のため、転写金型の形状をより忠実に転写するという利点があり、低い線膨張率、低い成形収縮率を示すので有利に用いることができる。このような熱硬化樹脂としては、コストや易取扱い性の点から、エポキシ樹脂を有利に用いることができる。
【００５１】
上記板状基板の大きさは特に限定されるものではないが、大きくなるとマイクロ全分析システムとしてのハンドリング性が低下するので４００ｃｍ2 以下が好ましく、厚さは０．０１〜１０ｍｍが好ましい。又、第１の基板及び第４の基板を厚くして強度を持たせ、第２の基板及び第３の基板を薄いフィルムで形成してもよい。
【００５２】
上記流体注入用の開口部４、流体排出用の開口部５、微細流路６等の断面積も特に限定されるものではないが、狭くなるとつまり易くなり製造が困難になり、広くなると測定試料が多量に必要になるので０．０１μｍ2 〜３ｍｍ2 が好ましい。
【００５３】
又、バルブ室の大きさも特に限定されるものではないが、小さくなるとバルブ性能が低下し、大きくなると測定試料が多量に必要になるので１μｍ3 〜３ｍｍ3 が好ましい。
【発明の効果】
【００５４】
本発明のマイクロバルブの構成は上述の通りであり、マイクロ全分析システムに容易に組み込むことができる簡単な構造で、微細流路内の流体を一方向のみに輸送し、逆流することがない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】請求項１記載のマイクロバルブの一例を示す断面図である。
【図２】請求項１記載のマイクロバルブの一例を示す平面図である。
【図３】請求項３記載のマイクロバルブの一例を示す分解図である。
【図４】請求項４記載のマイクロバルブの一例を示す分解図である。
【図５】請求項５記載のマイクロバルブの一例を示す分解図である。
【符号の説明】
【００５６】
１    マイクロ全分析システム
２    バルブ室
２１  下壁
２２  上壁
３    浮遊弁体
４    流体注入用の開口部
５    流体排出用の開口部
６    微細流路
６１  流体排出用の貫通孔ａ
６２  流体排出用の貫通孔ｂ
６３  流体排出用の貫通孔
６４  流体排出用の微細流路
７    第１の板状基板
８    第２の板状基板
９    第３の板状基板
１０  第４の板状基板
【図１】
2006214837.tif 000003
【図２】
2006214837.tif 000004
【図３】
2006214837.tif 000005
【図４】
2006214837.tif 000006
【図５】
2006214837.tif 000007