(57)【要約】【課題】マイクロ流体デバイスにおいて、異なる液体同士の混合もしくは反応を格段に高効率にでき、デバイスの小形化を図ることができるようにすること。【解決手段】マイクロ流体デバイス１００は、少なくとも２つの液体供給口１５ａ、１５ｎから供給される種類の異なる液体を微小流路２８で混合もしくは化学反応を行なわせて下流側にある液体排出口１８から排出するマイクロ流体素子１０と、マイクロ流体素子１０の各液体供給口１５ａ、１５ｎに種類の異なる液体を送液する送液系と、マイクロ流体素子１０の液体排出口１８から排出される液体を取り出す排液系とを備える。このマイクロ流体デバイス１００は、略平行な対向壁面１１ａ、１２ａを微小流路２８に形成し、略平行な対向壁面１１ａ、１２ａで反射する超音波を略平行な対向壁面１１ａ、１２ａの間を流れる液体に照射してその液体の流れ方向に交差する特異流れＦｓを発生させる超音波発振素子４１を設けている。【選択図】図３
2006136757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの液体供給口から供給される種類の異なる液体を微小流路で混合もしくは化学反応を行なわせて下流側にある液体排出口から排出するマイクロ流体素子と、
前記マイクロ流体素子の前記各液体供給口に種類の異なる液体を送液する送液系と、
前記マイクロ流体素子の前記液体排出口から排出される液体を取り出す排液系と、を備えたマイクロ流体デバイスにおいて、
略平行な対向壁面を前記微小流路に形成し、
前記略平行な対向壁面の間を流れる液体に超音波を前記略平行な対向壁面で反射するように照射してその液体の流れ方向に交差する局所的な液体流れを発生させる超音波発振素子を設けた
ことを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ流体デバイスにおいて、前記各液体供給口から供給される種類の異なる液体が前記略平行な対向壁面の間で層流となるように前記マイクロ流体素子を形成し、前記略平行な対向壁面の一側だけから超音波を照射するように前記超音波発振素子を設置したことを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項３】
請求項２に記載のマイクロ流体デバイスにおいて、液体の流れ方向に前後に位置して前記液体供給口を設けると共に、後流側の前記液体供給口からの液体と上流側の前記液体供給口からの液体とが層流となるように液体の流れを規制する流れ規制壁を少なくとも後流側の前記液体供給口の周辺部に設けたことを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項４】
請求項１に記載のマイクロ流体デバイスにおいて、上流側の広幅微小流路と下流側の狭幅微小流路とから前記微小流路を構成し、前記略平行な対向壁面を前記狭幅微小流路に形成し、前記狭幅微小流路の略平行な対向壁面の間を流れる液体に超音波を照射するように前記超音波発振素子を設置したことを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載のマイクロ流体デバイスにおいて、液体の流れ方向に前後に位置して前記液体供給口を前記広幅微小流路に設けると共に、後流側の液体供給口からの液体と上流側の液体供給口からの液体とが層流となるように液体の流れを規制する流れ規制壁を後流側の液体供給口の周辺部に設け、さらには前記各液体供給口を前記広幅微小流路の幅方向にそれぞれ複数設置したことを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項６】
請求項１に記載のマイクロ流体デバイスにおいて、前記略平行な対向壁面を異なる材質の部材で形成したことを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項７】
少なくとも２つの液体供給口から供給される種類の異なる液体を微小流路で混合もしくは化学反応を行なわせて下流側にある液体排出口から排出するマイクロ流体素子と、
前記マイクロ流体素子の前記各液体供給口に種類の異なる液体を送液する送液系と、
前記マイクロ流体素子の前記液体排出口から排出される液体を取り出す排液系と、
前記マイクロ流体素子及び前記送液系を制御する制御装置と、を備えたマイクロ流体デバイスにおいて、
略平行な対向壁面を前記微小流路に形成し、
前記略平行な対向壁面の間を流れる液体に超音波を前記略平行な対向壁面で反射するように照射してその液体の流れ方向に交差する局所的な液体流れを発生させる超音波発振素子を設け、
前記制御装置は前記送液系の制御に関連付けて前記超音波発振素子を制御するように構成した
ことを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項８】
請求項７に記載のマイクロ流体デバイスにおいて、前記送液系を少なくとも３系統設け、前記制御装置は、前記送液系の中の送液運転する送液系を少なくとも２つ選択すると共に、選択された前記送液系の液体の種類に基づいて前記超音波発振素子の周波数または振幅を制御するように構成したことを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体デバイスに係り、特に種類の異なる液体を微小流路で混合もしくは反応を行なわせるマイクロ流体素子を備えるマイクロ流体デバイスに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を応用した新技術・新製品の開発は現在も盛んに行われている。流体操作技術でもその応用が進んでおり、流体ＭＥＭＳと総称されて、医薬品、化学薬品、試薬に限らず、生化学分析装置などでもその応用が実用化されている。例えば、生化学分析装置においては、流体ＭＥＭＳを応用したメリットとして、サンプルである血液の必要量や高価な試薬の使用量が従来装置と比較して格段に少なくて済む。また、分析方法が簡便となり装置も小型化するので、その場でオンデマンドに検査結果が判明するなどの効果が期待されている。
【０００３】
このように異なる種類の液体を瞬時に均一に混合もしくは反応させるデバイスはマイクロミキサー又はマイクロリアクターと呼ばれている。
【０００４】
これらの基本原理は、数μｍ〜数百μｍの微小流路にそれぞれ異なる種類の液体を流して薄い層流状態の微小流れを形成すると、異なる種類の液体が流れの法線方向に分子拡散して極めて短時間に均一に混合もしくは反応する、という現象を利用したものである。換言すれば、上記層流状態の微小流れを形成することにより、それぞれの液体同士が接する界面面積が大きくなるので、混合もしくは反応効率が著しく向上する。このときの分子拡散時間は法線方向の距離の二乗に反比例して短くなるので、微小流れの幅を小さくすると飛躍的に短くなる。また、微小流路に異なる液体を流すだけでこれらの混合もしくは反応が起こるので、装置が簡単になる。
【０００５】
マイクロミキサーとマイクロリアクターは、基本的にマイクロ流体素子の構造が共通であるが、単なる混合の場合にはマイクロミキサーと呼ばれ、化学反応を伴う場合にはマイクロリアクターと呼ばれており、これらをマイクロ流体デバイスと総称して説明する。
【０００６】
マイクロ流体デバイスでは、大型タンクなどを用いた従来のバッチ式のものに比べて、反応時間や温度を精密に制御することができる。このため、マイクロ流体デバイスでは、従来のバッチ式における反応熱による爆発などの危険性を低減できる。
【０００７】
また、従来の大型タンクによるバッチ式では、反応速度が速い場合にはその反応が異なる液同士の界面でのみ進行し、さらにその反応生成物が原材料の液と反応するため、本来所望しない生成物、即ち不純物が生成されることとなり、収率（所望の反応物質量／全原材料質量）が低下する場合があった。これに対して、マイクロ流体デバイスは、連続的処理方式であり、短時間で反応が完了するため、その収率は飛躍的に向上する。
【０００８】
以上述べたようにマイクロ流体デバイスは、数多くの特長があり、各方面でその実用化が検討されている。
【０００９】
しかし、マイクロ流体デバイスでは、微小流路の長さが一定であるので、均一に混合もしくは反応する時間が異なる場合には、その都度、微小流路に供給する液体の送液速度を調整する必要があった。即ち、混合もしくは反応時間が遅い場合には、液体の送液速度を遅くしてマイクロ流体デバイスに滞留している時間を長くし、均一に混合もしくは反応した液体を生成する必要がある。また、混合もしくは反応時間が速い場合には、液体の送液速度を速くしてマイクロ流体デバイスに滞留している時間を短くし、均一に混合もしくは反応した液体を生成する必要がある。一方、上記混合もしくは反応時間があらかじめ把握できる場合には、事前に流体シミュレーションなどを行って流路長を最適な長さにしたマイクロ流体デバイスを設計・製作することにより、上記問題点を解決することができるが、その都度、最適なマイクロ流体デバイスの設計・製作をする必要があり、コスト上問題があった。
【００１０】
このようなマイクロ流体デバイスの課題を解決する方法として、特開２００３−２１０９６３号公報（特許文献１）のマイクロミキサーが案出されている。この特許文献１のマイクロミキサーは、流体を複数の液体供給口を通してそれぞれ１本のミキシング流路内へ導入し、これらの流体を薄片状の層流として流通させつつ、流体同士をその接触界面の法線方向へ拡散し、混合するものである。このマイクロミキサーは、外部から供給された流体が一端部から他端部へ向ってそれぞれ流通する複数の流体供給路と、複数の流体供給路の他端部にそれぞれ開口し、流体供給路内における流体の流通方向と直交する所定の拡散方向に沿って互いに隣接するように配設された複数の液体供給口と、一端部が複数の液体供給口に接続され、複数の液体供給口を通して導入された流体を他端部から吐出するミキシング流路と、ミキシング流路内を流通する流体に振動を前記拡散方向に沿って伝達する拡散制御手段（振動発生器）とを有する。そして、このマイクロミキサーでは、複数の液体供給口の拡散方向に沿った開口幅を１μｍ以上で５００μｍ以下としている。また、振動発生器として、振動発生源としてピエゾ素子を用い、このピエゾ素子をミキシング流路の両側に設置し、両側のピエゾ素子から超音波の振動をミキシング流路内の液体に与える例が示されている。
【００１１】
係るマイクロミキサーでは、複数の流体供給路にそれぞれ溶液が供給されることにより、溶液が複数の液体供給口を通してミキシング流路内へ導入される。このとき、溶液は液体供給口の開口幅に対応する幅を有する薄片状の成層流となって出液口側へ向って流れつつ、各成層流の接触界面ではその法線方向に沿って分子拡散が生じて溶液の混合が進行する。これと同時に、振動発生器により振動がミキシング流路内の溶液に拡散方向に沿って伝達されることから、ミキシング流路内を流れる溶液の分子運動が伝達振動により増大し、溶液間の混合及び混合に伴う化学反応が促進される。
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−２１０９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、特許文献１のマイクロミキサーでは、ミキシング流路の両側に配置した振動発生器から同じ超音波振動をミキシング流路内の液体に与えるものであるため、ミキシング流路内を流れる溶液の分子運動を増大させることに止まるものであり、さらに高効率に液体同士の混合もしくは反応を行なわせることが望まれる。
【００１４】
本発明者らは、マイクロ流体デバイスにおいて、さらに効率よく液体同士を混合もしくは反応させるための研究を鋭意重ねた結果、略平行な対向壁面の微小流路を流れる液体に一側から超音波振動を与えた時に、その流体の流れに交差する渦巻き状の局所的に特異的な液体流れが発生する現象を発見した。
【００１５】
本発明の目的は、上記の特異的な液体流れを利用して異なる液体同士の混合もしくは反応を格段に高効率にでき、デバイスの小形化が図れるマイクロ流体デバイスを提供することにある。
【００１６】
本発明の別の目的は、上記の特異的な液体流れを利用して異なる液体同士の混合もしくは反応を格段に高効率にしかも精度よく行なうことができ、デバイスの小型化と共に高性能化が図れるマイクロ流体デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成するために、本発明は、少なくとも２つの液体供給口から供給される種類の異なる液体を微小流路で混合もしくは化学反応を行なわせて下流側にある液体排出口から排出するマイクロ流体素子と、前記マイクロ流体素子の前記各液体供給口に種類の異なる液体を送液する送液系と、前記マイクロ流体素子の前記液体排出口から排出される液体を取り出す排液系と、を備えたマイクロ流体デバイスにおいて、略平行な対向壁面を前記微小流路に形成し、前記略平行な対向壁面の間を流れる液体に超音波を前記略平行な対向壁面で反射するように照射してその液体の流れ方向に交差する局所的な液体流れを発生させる超音波発振素子を設けた構成にしたことにある。
【００１８】
前記の別の目的を達成するために、本発明は、少なくとも２つの液体供給口から供給される種類の異なる液体を微小流路で混合もしくは化学反応を行なわせて下流側にある液体排出口から排出するマイクロ流体素子と、前記マイクロ流体素子の前記各液体供給口に種類の異なる液体を送液する送液系と、前記マイクロ流体素子の前記液体排出口から排出される液体を取り出す排液系と、前記マイクロ流体素子及び前記送液系を制御する制御装置と、を備えたマイクロ流体デバイスにおいて、略平行な対向壁面を前記微小流路に形成し、前記略平行な対向壁面の間を流れる液体に超音波を前記略平行な対向壁面で反射するように照射してその液体の流れ方向に交差する局所的な液体流れを発生させる超音波発振素子を設け、前記制御装置は前記送液系の制御に関連付けて前記超音波発振素子を制御するように構成したことにある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のマイクロ流体デバイスによれば、異なる液体同士の混合もしくは反応を格段に高効率にでき、デバイスの小形化を図ることができる。
【００２０】
本発明のマイクロ流体デバイスによれば、異なる液体同士の混合もしくは反応を格段に高効率にしかも精度よく行なうことができ、デバイスの小型化と共に高性能化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の複数の実施例について図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
（第１実施例）
本発明の第１実施例のマイクロ流体デバイスを図１から図４を用いて説明する。
【００２２】
まず、マイクロ流体デバイス１００の全体構成に関して図１を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施例のマイクロ流体デバイス１００を示す構成図である。
【００２３】
マイクロ流体デバイス１００は、複数の液体供給口１５ａ〜１５ｎから供給される種類の異なる液体を微小流路２８で混合もしくは化学反応を行なわせて下流側にある液体排出口１８から排出するマイクロ流体素子１０と、マイクロ流体素子１０の各液体供給口１５ａ〜１５ｎに種類の異なる液体を送液する送液系２０と、マイクロ流体素子１０の液体排出口１８から排出される液体を取り出す排液系３０と、マイクロ流体素子１０及び送液系２０を制御する制御装置５０と、を備えて構成されている。
【００２４】
マイクロ流体素子１０は、高さ寸法が低い薄型で矩形状に形成され、装置のフレーム（図示せず）に適宜に保持固定される。このマイクロ流体素子１０は、複数の液体供給口１５ａ〜１５ｎと、１つの液体排出口１８を有し、両口１５ａ〜１５ｎ、１８間に微小流路２８を有する。また、マイクロ流体素子１０は、液体供給口１５ａ〜１５ｎ、微小流路２８、液体排出口１８及び流れ規制壁１６などを超精密機械加工によって製作したマイクロ流体素子本体１１と、このマイクロ流体素子本体１１と共に流路を形成するようにマイクロ流体素子本体１１をカバーする蓋１２とから構成されている。マイクロ流体素子本体１１及び蓋１２は同材質のステンレスが用いられている。
【００２５】
送液系２０は、複数の種類の異なる液体を貯留したタンク２１ａ〜２１ｎと、各タンク２１ａ〜２１ｎに貯留した各液体を汲み上げるポンプ２２ａ〜２２ｎと、電磁弁２３ａ〜２３ｎと、マイクロ流体素子１０における複数の液体の液体供給口１５ａ〜１５ｎに設けたシール材ユニット２５と、これらを連結する送液用配管２６ａ〜２６ｎと、送液ユニット２４ａ〜２４ｎと、から構成されている。送液用配管２６ａ〜２６ｎは耐薬品性に優れたフッ素系樹脂のチューブ等が使用されている。
【００２６】
排液系３０は、マイクロ流体素子１０における液体排出口１８に設けたシール材３１と、排液接続管３２と、これに連結してタンク３３に導く排液用配管３４と、から構成されている。排液接続管３２は耐薬品性に優れたフッ素系樹脂のチューブ等が使用されている。
【００２７】
超音波発振素子４１は、マイクロ流体素子１０の下面に設置されており、発振素子制御部４２と共に超音波発振装置４０を構成する。
【００２８】
制御装置５０はメイン制御部５２及び発振素子制御部４２を備えて構成されている。メイン制御部５２は、作業者がキーボード５１から入力した指示データを記憶し、この指示データに基づいて（換言すれば、この指示データを所用の指令値に変換して）送液系２０のポンプ２２ａ〜２２ｎ及び電磁弁２３ａ〜２３ｎと発振素子制御部４２とを制御するようになっている。発振素子制御部４２は、メイン制御部５２の制御信号に基づいて、周波数もしくは振動を変更して超音波発振素子４１を制御する。
【００２９】
次に、マイクロ流体素子１０の具体的な構成に関して図２及び図３を参照しながら説明する。図２は第１実施例に係るマイクロ流体素子１０及びその周辺部分の平面図、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は第１実施例に係る微小流路における局所的な液体流れである特異流れＦｓを説明する概略図である。なお、図２はマイクロ流体素子１０の蓋１２を省略した状態で示す。
【００３０】
微小流路２８は、マイクロ流体素子本体１１の上面に形成された２００μｍ程度の深さの窪みと、蓋１２の下面とにより形成されている。微小流路２８は、略平行な対向壁面１１ａ、１２ａを形成している。一方の対向壁面１１ａはマイクロ流体素子本体１１の窪みの底面で構成され、他方の対向壁面１２ａは蓋１２の下面で形成されている。この略平行な対向壁面１１ａ、１２ａは、図４に示すように狭幅微小流路１７に設けられている。勿論、広幅微小流路１３にも同じ高さ寸法の略平行な対向壁面とされていることが、微小流路２８の連続性から好ましい。
【００３１】
また、微小流路２８は、図２に示すように、上流側の広幅微小流路１３と下流側の狭幅微小流路１７とからなるワイングラス形状に形成されている。即ち、広幅微小流路１３は、広幅の平行部分と、それから徐々に狭くなって狭幅微小流路１７に連通する円弧状部分とからなり、狭幅微小流路１７は直線状延びる部分からなっている。
【００３２】
液体供給口１５ａ〜１５ｎは、液体の流れ方向に前後に位置して微小流路２８の上流側に開口するように設けている。液体供給口１５ａ〜１５ｎは、等間隔に３列以上設けられているが、図２では２列のみ示し、他は省略してある。また、液体供給口１５ａ〜１５ｎは、各列において等間隔に複数設けられており（換言すれば、幅方向に等間隔に複数設けられており）、全体として碁盤目状に設けられている。なお、図２では、各列の中央部の液体供給口１５ａ〜１５ｎを流れ規制壁１６ａ〜１６ｎと共に省略してある。
【００３３】
液体供給口１５ａ〜１５ｎの各列に連通する窪み１４ａ〜１４ｎがマイクロ流体素子本体１１の下面側に形成されている。これらの窪み１４ａ〜１４ｎは、液体供給口１５ａ〜１５ｎの個々の径よりも横断面積が大きく、広幅微小流路１３の平行部分の幅とほぼ同じ幅を有している。これらの窪み１４ａ〜１４ｎの下面側を塞ぐようにシール材ユニット２５が設けられている。シール材ユニット２５には図示しない貫通孔が形成されており、その貫通孔を通して送液用配管２６ａ〜２６ｎが窪み１４ａ〜１４ｎにそれぞれ連通されている。かかる構成によって、液体が外部に漏れることなく、各送液用配管２６ａ〜２６ｎから各窪み１４ａ〜１４ｎに液体が供給される。
【００３４】
液体供給口１５ａ〜１５ｎの周辺部には、流れ規制壁１６ａ〜１６ｎが設けられている。これらの流れ規制壁１６ａ〜１６ｎは、後流側の液体供給口（図２の例では１６ｎ）から供給される液体と上流側の液体供給口（図２の例では１６ａ）から供給される液体とが層流となるように液体の流れを規制するものである。流れ規制壁１６ａ〜１６ｎは、液体供給口１５ａ〜１５ｎの周辺部からさらに下流側に延びように馬蹄形をしており、液体供給口１５ａ〜１５ｎから供給された液体が下流側にスムースに流れるようになっている。
【００３５】
液体排出口１８は、微小流路２８の下流側に開口するように設けられている。液体排出口１８に連通する窪み１９がマイクロ流体素子本体１１の下面側に形成されている。この窪み１９は、液体排出口１８の径よりも横断面積が大きく形成されている。この窪み１９の下面側を塞ぐようにシール材３１が設けられている。シール材３１には図示しない貫通孔が形成されており、その貫通孔を通して廃液接続間３２が窪み１９に連通されている。かかる構成によって、液体が外部に漏れることなく、窪み１９から液体が排出される。
【００３６】
超音波発振素子１７は、図４に示すように、略平行な対向壁面１１ａ、１２ａで反射する超音波を、略平行な対向壁面１１ａ、１２ａの間を流れる液体に照射して、その液体の流れ方向に交差する特異流れＦｓを発生させるように設けられている。本実施例では、超音波発振素子１７は、狭幅微小流路１７における略平行な対向壁面１１ａ、１２ａの一側だけから超音波を照射するように設置されている。
【００３７】
制御部５２は送液系２０の制御に関連付けて超音波発振素子４１を制御するように構成されている。具体的には、制御部５２は、送液系２０の液体の種類に基づいて、超音波発振素子４１の周波数または振幅を制御するように構成されている。
【００３８】
次に、マイクロ流体デバイス１００の動作について図１から図４を参照しながら説明する。
【００３９】
所用の処理（混合もしくは反応）を行なうためには、図１に示すキーボード５１でマイクロ流体素子１０に供給する液体の種類とその比率などのデータを入力する。これによって、メイン制御部５２は、ポンプ２２ａ〜２２ｎの中から所要のポンプ２２ａ、２２ｎを選択し、その回転数を設定して運転開始の指示を出すと共に、電磁弁２３ａ〜２３ｎの中から所要の電磁弁２３ａ、２３ｎを選択して開く指示を出す。マイクロ流体素子１０には異なる種類の液体を同時に供給する必要があり、選択されたポンプ２２ａ、２２ｎと電磁弁２３ａ、２３ｎのそれぞれにメイン制御部５２から同時に動作指令が出される。
【００４０】
係る動作指令に基づいて、選択されたポンプ２２ａ、２２ｎと電磁弁２３ａ、２３ｎが動作され、図２に示すように、液体供給口１５ａ〜１５ｎから所望の液体が微小流路２８に噴出される。このとき、液体供給口１５ａ、１５ｎの各列における個々の液体供給口には窪み１４ａ、１４ｎを通して供給されるので、微小流路２８に個々の液体供給口から均一に噴出される。従って、窪み１４ａ〜１４ｎは液体の分配器の機能を果たし、処理性能の向上に貢献する。
【００４１】
液体供給口１５ａ〜１５ｎから噴出される液体は、広幅微小流路１３の平行部分に噴出され、後述する狭幅微小流路１７を流れる場合に比較して、ゆっくりと広幅微小流路１３を流下する。そして、上流側の液体供給口１５ａから噴出された液体は、図２の実線矢印に示すように、流れ規制壁１６ａによって流れ方向が下流側に案内されて下流側に向かう流れとなり、さらには、下流側の流れ規制壁１６ｎによって分流されて下流側の液体供給口１５ｎから噴出される液体の流れの両側を流れる薄い層流となり、広幅微小流路１３を流下する。
【００４２】
異なる種類の液体が層流となって広幅微小流路１３を流れることにより、異なる種類の液体が流れの法線方向に分子拡散して混合もしくは反応する。広幅微小流路１３は広幅の平行部分から徐々に狭くなっているので、ここを流れる液体は、混合もしくは反応しつつ、徐々に速度を上げて狭幅微小流路１７に至る。
【００４３】
狭幅微小流路１７に流入された液体は、さらに混合もしくは反応が促進される。この理由は、広幅微小流路１３の断面積と比較して狭幅微小流路１７の断面積が格段に小さくなるために、液体相互の拡散距離が格段に短くなるためである。
【００４４】
このような状況で、超音波発振素子４１から例えば周波数２００ＫＨｚの超音波を照射すると、マイクロ流体素子本体１１を介して狭幅微小流路１７の略平行な対向壁面１１ａ、１２ａの間を流れる液体にも超音波が照射される。この液体に照射された超音波の一部は液体を透過して蓋１２の下面（対向壁面１２ａ）に到達した後、その一部はさらに対向壁面１１ａで反射して再び狭幅微小流路１７内の液体に照射される。このように、液体に照射された超音波は位相が異なる反射波となって狭幅微小流路１７内の液体の中を伝播する。
【００４５】
この時の液体流れの挙動を高速度顕微鏡ビデオカメラで観察すると、図４に示すように、その液体の流れ方向に交差する局所的な液体流れである渦巻き状の流れが観察された。なお、図４は狭幅微小流路１７の断面拡大図を示しており、マイクロ流体素子本体１１及び蓋１２は一部を省略しており、また、超音波発振素子４１はその配置位置のみを図示してある。送液された液体は、全体的には図４の流体流れ方向Ｆｎに示すように、右側から左側の方向に流れる。超音波発振素子４１から超音波を照射すると、図４に示すように、局所的に上下方向に渦巻き状の特異流れＦｓが生じるのが観察された。この特異流れＦｓは飛び飛びの箇所で発生し、その流れ方向は流路底面１１ａから上面１２ａに時計回り方向である。このような特異流れＦｓを発生させると、図２のワイングラス形状の広幅微小流路１３で横方向に互い違いの層流流れが、特異流れＦｓの発生箇所で縦方向に攪拌されるので、格段に混合もしくは反応効率が高まる。
【００４６】
そして、この特異流れＦｓの流速は、照射する超音波の振幅によって制御することができ、また、特異流れＦｓの発生ピッチは超音波の周波数によって変化するので、送液系２０の制御に関連付けて、制御部５２により超音波発振素子４１を制御している。即ち、超音波発振素子４１は、例えばマイクロ流体素子１０に供給する液体の種類（即ち、その液体の密度、温度など）やその比率をメイン制御部５２より発振素子制御部４２に送信することにより、発振素子制御部４２により制御される。
【００４７】
混合もしくは反応が完了した液体は、液体排出口１８を通してタンク３３に取り出される。この動作が以下繰返されてタンク３３に所定量の処理後の液体が取り出された場合に、マイクロ流体デバイス１００の運転を停止する。
【００４８】
本実施例によれば、少なくとも２つの液体供給口１５ａ、１５ｎから供給される種類の異なる液体を微小流路２８で混合もしくは化学反応を行なわせて下流側にある液体排出口１８から排出するマイクロ流体素子１０と、マイクロ流体素子１０の各液体供給口１５ａ、１５ｎに種類の異なる液体を送液する送液系２０と、マイクロ流体素子１０の液体排出口１８から排出される液体を取り出す排液系３０と、を備えたマイクロ流体デバイス１００において、略平行な対向壁面１１ａ、１２ａを微小流路２８に形成し、略平行な対向壁面１１ａ、１２ａの間を流れる液体に超音波を略平行な対向壁面１１ａ、１２ａで反射するように照射してその液体の流れ方向に交差する特異流れＦｓを発生させる超音波発振素子４１を設けたので、異なる液体同士の混合もしくは反応を格段に高効率にでき、デバイスの小形化を図ることができる。
【００４９】
また、各液体供給口１５ａ、１５ｎから供給される種類の異なる液体が略平行な対向壁面１１ａ、１２ａの間で層流となるようにマイクロ流体素子１０を形成し、略平行な対向壁面１１ａ、１２ａの一側だけから超音波を照射するように超音波発振素子４１を設置したので、安価な構造で、別々の液体供給口１５ａ、１５ｎから供給されて微小流路２８内で層流の流れを形成しながら互いに分子拡散による混合もしくは反応するのに加えて、特異流れＦｓによって流れに揺らぎが生じて格段に混合もしくは反応が高効率に促進される。
【００５０】
また、液体の流れ方向に前後に位置して液体供給口１５ａ、１５ｎを設けると共に、後流側の液体供給口１５ａ、１５ｎからの液体と上流側の液体供給口１５ａ、１５ｎからの液体とが層流となるように液体の流れを規制する流れ規制壁を少なくとも後流側の液体供給口１５ａ、１５ｎの周辺部に設けているので、マイクロ流体素子１０の横幅を小さいものとしつつ、異なる種類の液体の層流による混合もしくは反応の促進を図ることができる。
【００５１】
また、上流側の広幅微小流路１３と下流側の狭幅微小流路１７とから微小流路２８を構成し、略平行な対向壁面１１ａ、１２ａを狭幅微小流路１７に形成し、狭幅微小流路１７の略平行な対向壁面１１ａ、１２ａの間を流れる液体に超音波を照射するように超音波発振素子４１を設置したので、狭い幅の層流による相互の拡散と超音波発振素子４１による特異流れＦｓとを最も有効に行なわせることができる。
【００５２】
また、液体の流れ方向に前後に位置して液体供給口１５ａ、１５ｎを広幅微小流路１３に設けると共に、後流側の液体供給口１５ａ、１５ｎからの液体と上流側の液体供給口１５ａ、１５ｎからの液体とが層流となるように液体の流れを規制する流れ規制壁を後流側の液体供給口１５ａ、１５ｎの周辺部に設け、さらには各液体供給口１５ａ、１５ｎを広幅微小流路１３の幅方向にそれぞれ複数設置したので、異なる種類の液体の層流を確実に得ることができる。
【００５３】
また、少なくとも２つの液体供給口１５ａ、１５ｎから供給される種類の異なる液体を微小流路２８で混合もしくは化学反応を行なわせて下流側にある液体排出口１８から排出するマイクロ流体素子１０と、マイクロ流体素子１０の各液体供給口１５ａ、１５ｎに種類の異なる液体を送液する送液系２０と、マイクロ流体素子１０の液体排出口１８から排出される液体を取り出す排液系３０と、マイクロ流体素子１０及び送液系２０を制御する制御装置と、を備えたマイクロ流体デバイスにおいて、略平行な対向壁面１１ａ、１２ａを微小流路２８に形成し、略平行な対向壁面１１ａ、１２ａの間を流れる液体に超音波を略平行な対向壁面１１ａ、１２ａで反射するようにその液体の流れ方向に交差する特異流れＦｓを発生させる超音波発振素子４１を設け、制御装置は送液系２０の制御に関連付けて超音波発振素子４１を制御するように構成したので、異なる液体同士の混合もしくは反応を格段に高効率にしかも精度よく行なうことができ、デバイスの小型化と共に高性能化を図ることができる。
【００５４】
また、送液系２０を少なくとも３系統設け、制御装置５０は、送液系２０の中の送液運転する送液系２０を少なくとも２つ選択すると共に、選択された送液系２０の液体の種類に基づいて超音波発振素子４１の周波数または振幅を制御するように構成しているので、異なる液体同士の混合もしくは反応をさらに一層高効率に行なわせることができると共に、それら混合もしくは反応をさらに一層精度よく行なうことができる。
（第２実施例）
次に、本発明の第２実施例について図５を用いて説明する。図５は、本発明の第２実施例のマイクロ流体デバイス１００のマイクロ流体素子１０及びその周辺部分の縦断面図である。この第２実施例は、次に述べる点で第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。
【００５５】
第２実施例では、マイクロ流体素子本体１１に窪み４１ａを設けて、この窪み４１ａの中に超音波発振素子４１を埋め込んだものである。これによって、超音波発振素子４１から出力された超音波がマイクロ流体素子１０内部での減衰することが低減されるので、第１実施例で述べた超音波発振素子４１による効果をさらに高めることができる。
【００５６】
また、第２実施例では、マイクロ流体素子本体１１と蓋１２とは、異なる材質で形成されている。このように、マイクロ流体素子本体１１と蓋１２との材質を変えると、その超音波伝播速度いわゆる固有音響インピーダンスが異なり、組み合わせ如何によっては超音波の疎密（節）周期を短くすることができるので、その分上記現象が引き起こされる間隔を短くすることができる。特に、照射された超音波を最初に反射する蓋１２の反射率を大きくすることにより、より効果的な超音波を液体に与えることができる。
（第３実施例）
次に、本発明の第３実施例について図６を用いて説明する。図６は、本発明の第３実施例のマイクロ流体デバイス１００のマイクロ流体素子１０及びその周辺部分の縦断面図である。この第３実施例は、次に述べる点で第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。
【００５７】
第３実施例では、マイクロ流体素子１０の横から一定の角度をつけて超音波発振素子４１を設置したものである。係る超音波発振素子４１から発振された超音波は、マイクロ流体素子本体１１と蓋１２とを何度も反射しながら流れ方向すなわち図６の左側へと伝播するので、第１実施例と同様の効果が得られる。
【００５８】
なお、本発明は、上述した各実施例に開示した形態に限られるものではなく、公知技術などに基づく変更を許容するものである。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１実施例のマイクロ流体デバイスを示す構成図である。
【図２】第１実施例に係るマイクロ流体素子及びその周辺部分の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】第１実施例に係る微小流路における特異流れＦｓを説明する概略図である。
【図５】本発明の第２実施例のマイクロ流体デバイスのマイクロ流体素子及びその周辺部分の縦断面図である。
【図６】本発明の第３実施例のマイクロ流体デバイスのマイクロ流体素子及びその周辺部分の縦断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０…マイクロ流体素子、１１…マイクロ流体素子本体、１２…蓋、１３…広幅微小流路、１４ａ〜１４ｎ…窪み、１５ａ〜１５ｎ…液体供給口、１６ａ〜１６ｎ…流れ規制壁、１７…狭幅微小流路、１８…液体排出口、１９…窪み、２０…送液系、２１ａ〜２１ｎ…タンク、２２ａ〜２２ｎ…ポンプ、２３ａ〜２３ｎ…電磁弁、２４…送液ユニット、２５…シール材ユニット、２６ａ〜２６ｎ…送液用配管、２８…微小流路、３０…排液系、３１…シール材、３２…排液接続管、３３…タンク、４０…超音波発振装置、４１…超音波発振素子、４２…発振素子制御部、５０…制御装置、５１…キーボード、５２…メイン制御部。
【図１】
2006136757.tif 000003
【図２】
2006136757.tif 000004
【図３】
2006136757.tif 000005
【図４】
2006136757.tif 000006
【図５】
2006136757.tif 000007
【図６】
2006136757.tif 000008