(57)【要約】【課題】誘導空間に流入させた流体を、流入方向と直角をなす方向に配された混合空間に流出させる際に、流体に対して外部から加える圧力の損失を低減させることが可能な、流体制御デバイスを提供する。【解決手段】単一の混合空間１０１と、トレンチ構造をなす複数の誘導空間１０２と、複数の導入空間１０３と、を内在した基体１０４からなり、混合空間１０１から見て、誘導空間の一方の開口部１０２ａは互い違いに配され、混合空間１０１に連通しており、かつ、隣接する位置関係にある誘導空間の一方の開口部１０２ａ同士が離間して、所定の間隔で並列に配され、隣接する位置関係にある一方の開口部１０２ａに対応する他方の開口部１０２ｂが、各々、異なる導入空間１０３に連通しており、導入空間１０３から見て、誘導空間１０２の断面が、混合空間１０１側に一定あるいは狭まるように段差Ｓ１が設けられている。【選択図】図３
2015016453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の混合空間と、トレンチ構造をなす複数の誘導空間と、複数の導入空間と、を内在した基体からなる流体制御デバイスであって、
前記混合空間から見て、前記誘導空間の一方の開口部は互い違いに配され、該混合空間に連通しており、かつ、隣接する位置関係にある該誘導空間の一方の開口部同士が離間して、所定の間隔で並列に配され、隣接する位置関係にある該一方の開口部に対応する他方の開口部が、各々、異なる前記導入空間に連通しており、
前記導入空間から見て、前記誘導空間の断面が、前記混合空間側に一定あるいは狭まるように段差が設けられていることを特徴とする流体制御デバイス。
【請求項２】
前記段差は、前記導入空間と連通する前記誘導空間の他方の開口部から、該導入空間と対向する他の導入空間に近づくにつれて、次第に増加していることを特徴とする請求項１に記載の流体制御デバイス。
【請求項３】
前記段差は、前記導入空間と連通する前記誘導空間の他方の開口部から、該導入空間と対向する他の導入空間に近づくにつれて、線形に増加していることを特徴とする請求項１または２に記載の流体制御デバイス。
【請求項４】
前記段差は、前記導入空間と連通する前記誘導空間の他方の開口部から、該導入空間と対向する他の導入空間に近づくにつれて、非線形に増加していることを特徴とする請求項１または２に記載の流体制御デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小な空間において、複数種類の流体を混合させる化学プロセスに適用可能な、流体制御デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
混合、反応、抽出、分離、加熱、冷却などの化学プロセスを、微小空間において行うマイクロ化学プロセスが提案され、微小な空間において、複数種類の流体を混合することが可能な流体制御デバイス（マイクロミキサ）の研究がなされている。
【０００３】
流体制御デバイスは、数百［μｍ］以下の微小な空間において、複数種類の流体の混合を行うデバイスである。流体制御デバイスは、混合される流体の基質間の距離を短くする機能を備えており、これを活用することによって、高い効率で混合された流体を得ることができる。
【０００４】
図１３（ａ）は、従来型の流体制御デバイスの要部として機能する、構造部５００Ｂの構成を模式的に示す平面図である（特許文献１等）。構造部５００Ｂは、基体５０４の一面５０４ａに沿って形成された、流体Ｌ３の導入空間５０３Ａと、流体Ｌ４の導入空間５０３Ｂと、導入空間５０３Ａから分岐した複数の誘導空間５０２Ａと、導入空間５０３Ｂから分岐した複数の誘導空間５０２Ｂと、を備えている。誘導空間５０２Ａと誘導空間５０２Ｂとは、各々の幅方向において、互い違いに離間して配されている。
【０００５】
図１３（ｂ）は、図１３（ａ）の構造部５００Ｂに、流体制御デバイスの要部として機能する他の構造部５００Ａを重ねた上で、Ｂ１−Ｂ１線において、誘導空間５０２Ａの深さ方向に平行に切断した際の断面図である。構造部５００Ａは、構造部５００Ｂとの重ね合わせ面に沿って内側に混合空間５０１を備えている。混合空間５０１は、全ての誘導空間５０２Ａ、５０２Ｂに連通するように配されている。導入空間５０３Ａ、誘導空間５０２Ａ、導入空間５０３Ｂの底部の位置は、いずれも一面５０４ａから所定の深さの位置において揃っている。なお、図示していないが、構造部５００Ｂを誘導空間５０２Ｂの深さ方向に平行に切断した際の断面においても、導入空間５０３Ａ、誘導空間５０２Ｂ、導入空間５０３Ｂの底部の位置が、いずれも一面５０４ａから所定の深さの位置において揃っている。
【０００６】
このような構成によれば、誘導空間５０２Ａ、５０２Ｂに流入した流体Ｌ３、Ｌ４は、それぞれ後続の流体を介して外部から加わる圧力によって、各々の誘導空間の先端部５０２ｆ近傍まで到達する。そして、先端部に到達した流体Ｌ３、Ｌ４は、先端部における側壁５０２ｆに沿って、一面５０４ａ側へ押され、混合空間５０１に流出する。
【０００７】
ところが、この場合、流体Ｌ３、Ｌ４の流出方向が流入方向に対して９０°変化することにより、流体Ｌ３、Ｌ４は、流出方向と反対側に力を受ける。そして、この力が、流体Ｌ３、Ｌ４の流出を推進する圧力の一部を相殺するため、圧力損失が生じる。実用上、処理量（流量）の増加を考慮した場合には、外部から加える圧力を大きくする必要があり、それに伴って、圧力損失がさらに拡大してしまうことが問題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００３−５００２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたものであり、誘導空間に流入させた流体を、流入方向と直角をなす方向に配された混合空間に流出させる際に、流体に対して外部から加える圧力の損失を低減させることが可能な、流体制御デバイスの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１に係る流体制御デバイスは、単一の混合空間と、トレンチ構造をなす複数の誘導空間と、複数の導入空間と、を内在した基体からなる流体制御デバイスであって、前記混合空間から見て、前記誘導空間の一方の開口部は互い違いに配され、該混合空間に連通しており、かつ、隣接する位置関係にある該誘導空間の一方の開口部同士が離間して、所定の間隔で並列に配され、隣接する位置関係にある該一方の開口部に対応する他方の開口部が、各々、異なる前記導入空間に連通しており、前記導入空間から見て、前記誘導空間の断面が、前記混合空間側に一定あるいは狭まるように段差が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項１に係る流体制御デバイスの構成によれば、誘導空間の一方の開口部から、内部に垂直に延びる方向を深さ方向と見たときに、誘導空間の底部が、導入空間の底部より浅い位置にある。そのため、導入空間から誘導空間に流入する大部分の流体は、流入前より浅い位置へ誘導されて流れる。そして、流体の流入方向は、誘導空間に流入する前と比べて、混合空間の入口に近い位置に向けて傾くように変化する。すなわち、誘導空間に対する流体の流入方向と、混合空間に対する流体の流出方向とのなす角度を、従来構造の誘導空間の側壁部と底部とのなす角度（９０°）より小さく抑えることができる。
【００１２】
したがって、導入空間から混合空間に至る流体の流路が、流体の流れる方向において緩やかに変化する形状となるため、従来構造のように急な曲がりを有する場合に比べて、外部から流体に対して加えた圧力の損失を低減させることが可能となる。
【００１３】
また、上述した流体の流入方向の変化により、誘導空間の底部から混合空間までの距離が短くなるため、流体が誘導空間から混合空間へ流出する際に、流出方向のばらつきの拡大を抑えることができ、ばらつく方向への圧力の損失を低減することができる。
【００１４】
本発明の請求項２に係る流体制御デバイスは、請求項１において、前記段差は、前記導入空間と連通する前記誘導空間の他方の開口部から、該導入空間と対向する他の導入空間に近づくにつれて、次第に増加していることを特徴とする。
【００１５】
請求項２に係る流体制御デバイスの構成によれば、導入空間から誘導空間に流入した全ての流体が、誘導空間の底部に沿って流れることによって、混合空間の入口により近い位置に安定して誘導される。これにより、導入空間から誘導空間へ流入する全ての流体の流れる方向と、誘導空間から混合空間へ流出する全ての流体の流れる方向とのなす角度は、従来構造の誘導空間の側壁部と底部とのなす角度（９０°）より小さく抑えることができる。したがって、導入空間１０３から混合空間１０１に至る全ての流体Ｌ１、Ｌ２の流路が、各々の流れる方向において緩やかに変化する形状となる。そのため、従来構造のように急な曲がりを有する場合に比べて、外部から流体に対して加えた圧力の損失を低減させることが可能となる。
【００１６】
本発明の請求項３に係る流体制御デバイスは、請求項１または２において、前記段差は、前記導入空間と連通する前記誘導空間の他方の開口部から、該導入空間と対向する他の導入空間に近づくにつれて、線形に増加していることを特徴とする。
【００１７】
請求項３に係る流体制御デバイスの構成によれば、誘導空間の底部が平坦であるため、誘導空間において、流体の流れる方向が一定に保たれる。したがって、誘導空間の底部においては、渦の発生する虞がなく、渦の発生に伴う圧力損失を抑えることができる。
【００１８】
本発明の請求項４に係る流体制御デバイスは、請求項１または２において、前記段差は、前記導入空間と連通する前記誘導空間の他方の開口部から、該導入空間と対向する他の導入空間に近づくにつれて、非線形に増加していることを特徴とする。
【００１９】
請求項４に係る流体制御デバイスの構成によれば、誘導空間の底部は、曲面をなしているため、誘導空間において流体の流れる方向が混合空間を向くように、誘導空間から遠ざかるにつれて少しずつ変化させることができる。したがって、流体が誘導空間を流れる過程において、流体の流れる方向が急激に変化するのに伴う圧力損失を低減させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の流体制御デバイスにおいては、誘導空間の一方の開口部から、内部に垂直に延びる方向を深さ方向と見たときに、誘導空間の底部が、導入空間の底部より浅い位置にある。そのため、導入空間から誘導空間に流入する大部分の流体は、流入前より浅い位置へ誘導されて流れる。そして、流体の流入方向は、誘導空間に流入する前と比べて、混合空間の入口に近い位置に向けて傾くように変化する。すなわち、誘導空間に対する流体の流入方向と、混合空間に対する流体の流出方向とのなす角度を、従来構造の誘導空間の側壁部と底部とのなす角度（９０°）より小さく抑えることができる。
【００２１】
したがって、導入空間から混合空間に至る流体の流路が、流体の流れる方向において緩やかに変化する形状となるため、従来構造のように急な曲がりを有する場合に比べて、外部から流体に対して加えた圧力の損失を低減させることが可能となる。
【００２２】
また、上述した流体の流入方向の変化により、誘導空間の底部から混合空間までの距離が短くなるため、流体が誘導空間から混合空間へ流出する際に、流出方向のばらつきの拡大を抑えることができ、ばらつく方向への圧力の損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第一実施形態に係る流体制御デバイスの斜視図である。
【図２】第一実施形態に係る流体制御デバイスを構成する第一構造部および第二構造部の斜視図である。
【図３】（ａ）図１の流体制御デバイスをＡ１−Ａ１線において切断した際の断面図である。（ｂ）図１の流体制御デバイスをＡ２−Ａ２線において切断した際の断面図である。
【図４】流路の形状に起因する流体の圧力損失について説明する図である。
【図５】第一実施形態の変形例１に係る流体制御デバイスの断面図である。
【図６】第一実施形態の変形例２に係る流体制御デバイスの断面図である。
【図７】第一実施形態の変形例３に係る流体制御デバイスの断面図である。
【図８】第一実施形態の変形例４に係る流体制御デバイスの断面図である。
【図９】第一実施形態の変形例５に係る流体制御デバイスの断面図である。
【図１０】第一実施形態の変形例６に係る流体制御デバイスの断面図である。
【図１１】第一実施形態に係る流体制御デバイスの製造方法の一例を説明する図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）第一実施形態に係る流体制御デバイスの製造方法の他の一例を説明する図である。
【図１３】（ａ）従来技術による流体制御デバイスを構成する要部の平面図である。（ｂ）従来技術による流体制御デバイスの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明に用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２５】
＜第一実施形態＞
［流体制御デバイスの構成］
本発明の第一実施形態に係る流体制御デバイス１００の構成について、図１〜３を用いて説明する。図１は、流体制御デバイス１００の斜視図である。流体制御デバイス１００は、単一の混合空間１０１と、トレンチ構造をなす複数の誘導空間１０２と、複数の導入空間と１０３と、を内在する基体１０４からなる。基体１０４は、さらに第一構造部１１０と第二構造部１２０とで構成されている。
【００２６】
基体１０４は、硬度の高いステンレス鋼（ＳＵＳ）や金属などの材料によって構成されていることが望ましい。本実施形態においては、直方体状の基体を一例として示しているが、基体の形状が限定されることはない。
例えばＬＩＧＡプロセスを用いて基体１０４を形成する場合は、レジスト樹脂、金属、セラミックス等の公知な材料を用いることができる。レーザードリルを用いて基体１０４を形成する場合は、ステンレス、ガラス、シリコン、ファインセラミックス、アクリル樹脂などを用いることができる。フェムト秒レーザーアシストエッチングを用いる場合は、ガラスサファイアを用いることができる。
その他にも、テフロン（登録商標）樹脂なども用いることができる。
【００２７】
図２は、図１の流体制御デバイス１００を構成する第一構造部１１０（上側）および第二構造部１２０（下側）の斜視図である。基体１０４の内部構造を説明するために、ここでは、第一構造部１１０と第二構造部１２０とを分離して示している。なお、第一構造部１１０と第二構造部１２０とは、一体であってもよいし、別体であってもよい。
【００２８】
図３（ａ）は、流体制御デバイス１００をＡ１−Ａ１線において分離した際の断面図であり、第二構造部１００Ｂ側の分離面１００ａの構成を示している。
【００２９】
混合空間１０１から見て、誘導空間の一方の開口部１０２ａは全て長方形をなし、混合空間１０１に連通している。隣接する位置関係にある誘導空間１０２Ａ、１０２Ｂの一方の開口部の長辺同士は離間して、所定の間隔で並列に配されている。隣接する位置関係にある、誘導空間の一方の開口部１０２ａに対応する他方の開口部１０２ｂは、各々、異なる導入空間１０３Ａ、１０３Ｂに連通している。
【００３０】
誘導空間１０２Ａと誘導空間１０２Ｂとは、互いに平行であり、かつ、各々の幅方向Ｗにおいて、互い違いに離間して配されている。いずれも直線状であり、それぞれの幅方向Ｗにおいて等間隔で並んでいることが望ましい。
【００３１】
導入空間１０３Ａ、導入空間１０３Ｂは、それぞれ第一流体Ｌ１、第二流体Ｌ２の供給路をなしている。複数の誘導空間１０２Ａは、導入空間１０３Ａの下流側に位置し、第一流体Ｌ１が複数の流体に細分化されるように導入空間１０３Ａから分岐し、互いに平行に延びている。複数の誘導空間１０２Ｂは、導入空間１０３Ｂの下流側に位置し、第二流体Ｌ２が複数の流体に細分化されるように導入空間１０３Ｂから分岐している。
【００３２】
導入空間１０３Ａ、導入空間１０３Ｂの上流側は、それぞれ流体制御デバイス１００の外部に配された流体Ｌ１、Ｌ２の供給源（不図示）に連結されているものとする。
【００３３】
混合空間１０１は、誘導空間１０２Ａ、１０２Ｂにおいて、それぞれ細分化された第一流体Ｌ１、第二流体Ｌ２が流入し、二つの流体が混合される空間をなしている。混合空間１０１は、全ての誘導空間の一方の開口部１０２ａと重なる位置に配されている。混合空間１０１には、混合された流体を外部空間に取り出すために、混合空間１０１と外部空間とを連結する部位（連結部）１０５を備えている。
【００３４】
図３（ｂ）は、図１の流体制御デバイス１００を、Ａ２−Ａ２線において、誘導空間１０２Ａの一方の開口部１０２ａと垂直に切断した際の断面図である。導入空間１０３Ａは、複数の誘導空間１０２Ａの、一方の開口部１０２ａを含む平面Ｐから所定の深さを有し、かつ、この平面Ｐに沿って延びる形状をなしている。
【００３５】
誘導空間の一方の開口部１０２ａから、内部に垂直に延びる方向を深さ方向Ｄと見たときに、誘導空間１０２Ａは導入空間１０３Ａより浅く、誘導空間１０２Ａは導入空間１０３Ａより浅い。より具体的には、平面Ｐと誘導空間の一方の底部１０２ｃとの距離ｄ２は、平面Ｐと導入空間の底部１０３ｃとの距離ｄ１より短い。すなわち、誘導空間の他方の開口部が、各々前記導入空間と連通する位置には、段差部Ｓ１が生じている。
【００３６】
誘導空間１０２Ａの深さ（距離ｄ２）は、導入空間１０３Ａの深さ（距離ｄ１）の３０［％］以上または７０［％］以下であることが望ましく、４０［％］以上または６０［％］以下であれば、さらに望ましい。
【００３７】
なお、図１の流体制御デバイス１００を、Ａ３−Ａ３線において、誘導空間１０２Ｂの一方の開口部１０２ａと垂直に切断した際の断面も、上述した構成と同様の構成になっている。より詳細には、上述した構成において、基体１０４の形状を左右反転させて、誘導空間１０２Ａを誘導空間１０２Ｂに、導入空間１０３Ａを導入空間１０３Ｂに、導入空間１０３Ｂを導入空間１０３Ａに、それぞれ置き換えた構成になっている。
【００３８】
流体制御デバイス１００を用いて、流体Ｌ１と流体Ｌ２とを混合して流体Ｌ３を作製する場合における、流体制御デバイス１００の動作について、図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。この場合、流体Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ導入空間１０３Ａ、１０３Ｂに供給することになる。供給された流体Ｌ１は、複数の誘導空間１０２に流入するように分割され、分割された流体Ｌ１は、それぞれ誘導空間１０２Ａを経由して、混合空間１０１に流出する。また、供給された流体Ｌ２は、複数の誘導空間１０２Ｂに流入するように分割され、分割された流体Ｌ２は、それぞれ誘導空間１０２Ｂを経由して、混合空間１０１に流出する。
【００３９】
以上説明したように、第一実施形態に係る流体制御デバイス１００においては、誘導空間の一方の開口部から、内部に垂直に延びる方向を深さ方向と見たときに、誘導空間の底部が、導入空間の底部より浅い位置にある。そのため、導入空間から誘導空間に流入する大部分の流体は、流入前より浅い位置へ誘導されて流れる。そして、流体の流入方向は、誘導空間に流入する前と比べて、混合空間の入口に近い位置に向けて傾くように変化する。すなわち、誘導空間に対する流体の流入方向と、混合空間に対する流体の流出方向とのなす角度を、従来構造の誘導空間の側壁部と底部とのなす角度（９０°）より小さく抑えることができる。
【００４０】
図４は、導入空間１０３の底部と誘導空間１０２の底部との段差部Ｓ１近傍を拡大し、段差部Ｓ１近傍における流体の流れを模式的に示す図である。流体Ｌ１が導入空間１０３から誘導空間１０２に流入する際に、流体Ｌ１の流れの方向が変わることによって、圧力損失が発生するメカニズムについて、図４を用いて説明する。
【００４１】
流体は、流れを妨げる物体が流路上に存在する場合、それを回避して進む性質を有している。したがって、本実施形態に係る流体制御デバイス１００のように、流体の導入空間１０３と誘導空間１０２との間に段差Ｓ１が存在する場合、導入空間１０３から誘導空間１０２に流入しようとする流体は、流れを妨げる段差Ｓ１を乗り上げて進む。
【００４２】
流体の流入方向は、段差Ｓ１を乗り上げる際に、流入方向に対して傾く。（１）、（２）式は、それぞれ、段差を乗り上げる流体の流入方向（水平方向）、流入方向と垂直をなす方向（鉛直方向）に対する運動方程式を示している。
【００４３】
【数１】
2015016453.tif 000003
【００４４】
【数２】
2015016453.tif 000004
【００４５】
Ｆｘ、Ｆｙは、それぞれ、流体に働く外力の水平成分、鉛直成分を示している。Ｐ１は、導入空間１０３から誘導空間１０２に向けて流れる流体Ｌ１、Ｌ２の圧力を示している。Ｐ２は、誘導空間１０２から混合空間１０１に向けて流れる流体Ｌ１、Ｌ２の圧力を示している。
【００４６】
Ａ１は、流体Ｌ１、Ｌ２の流れに垂直な、導入空間１０３の断面積を示している。Ａ２は、流体Ｌ１、Ｌ２の流れに垂直な、誘導空間１０２の断面積を示している。Ｕ１は、導入空間１０３の断面を通過する流体Ｌ１、Ｌ２の速度（流速）を示している。Ｕ２は、誘導空間１０２の断面を通過する流体Ｌ１、Ｌ２の速度（流速）を示している。ρ、Ｑは、それぞれ、誘導空間１０２内における流体Ｌ１、Ｌ２の密度、流量を示している。θは、誘導空間１０２における流体Ｌ１、Ｌ２の流入方向と水平方向とのなす角度を示している。
【００４７】
（２）式のＦｙは、鉛直方向において、流体の流れを妨げる方向に働く力である。Ｆｙの大きさ（絶対値）は、θが９０°のとき、すなわち、流体の流れる方向が直角に曲がるとき最大となる。そして、θを小さくすることにより、Ｆｙの大きさを小さくすることができる。これは、流れる方向の変化を小さくすることにより、導入空間１０３から混合空間１０１に至る流体の流路が、流体の流れる方向において緩やかに変化する形状となるため、流れを妨げる力が低減することを意味している。
【００４８】
したがって、誘導空間に対する流体の流入方向と、混合空間に対する流体の流出方向とのなす角度を、９０°より小さく抑えることにより、従来構造のような急な曲がりを有する場合に比べて、外部から流体に対して加える圧力の損失を低減させることが可能となる。
【００４９】
なお、段差部Ｓ１の高さを調整して、誘導空間に対する流体Ｌ１、Ｌ２の流入方向の制御、すなわち、図４における角度θの制御を行うことにより、圧力損失の低減の度合いを変化させることができる。
角度θについては、３０°≦θ≦７０°程度の範囲にあれば、圧力損失の低減の効果を発揮することができる。θを約４５°としたときに、圧力損失は最も低減する。θを７０°より大きくすると、圧力損失は９０°とした場合とほとんど変わらない。
段差部Ｓ１については、図３に示す距離ｄ１の３０％〜７０％程度の高さとすることが好ましく、距離ｄ１の４０％〜６０％程度の高さとすればより好ましい。
【００５０】
また、上述した流体Ｌ１、Ｌ２の流入方向の変化により、誘導空間の底部から混合空間までの距離が短くなる。そのため、流路壁と流体の摩擦によって発生するエネルギー損失が低減することにより、流体Ｌ１、Ｌ２の誘導空間における圧力の損失を低減させることができる。
【００５１】
［変形例１］
図５は、第一実施形態の変形例１に係る流体制御デバイス１１０の断面図である。流体制御デバイス１１０において、誘導空間１１２は、その底部１１２ｃが傾斜しており、導入空間１１３から遠ざかるにつれて次第に浅くなっている。すなわち、導入空間の底部１１３ｃに対する誘導空間の底部１１２ｃの段差Ｓ２は、誘導空間の他方の開口部１１２ｂから内側に進むにつれて、次第に増加している。
傾斜の角度については、３０°〜６０°程度の範囲とするのが好ましい。傾斜の角度が３０°未満であると、圧力損失が低減される効果は薄れてしまう。傾斜の角度が６０°を超えるように、誘導空間を加工することは難しい。
【００５２】
より詳細には、段差Ｓ２は、誘導空間の他方の開口部１１２ｂから内側に進むにつれて、線形（直線状）に増加している。流体制御デバイス１１０の誘導空間の底部１１２ｃ以外の構成は、第一実施形態に係る流体制御デバイス１００と同様の構成になっている。
【００５３】
変形例１に係る流体制御デバイス１１０の構成によれば、導入空間１１３から誘導空間１１２に流入した全ての流体Ｌ１、Ｌ２が、誘導空間の底部１１２ｃに沿って流れることによって、混合空間１１１の入口により近い位置に安定して誘導される。これにより、導入空間１１３から混合空間１１１に至る全ての流体Ｌ１、Ｌ２の流路が、各々の流れる方向において緩やかに変化する形状となる。
【００５４】
すなわち、導入空間１１３から誘導空間１１２へ流入する全ての流体Ｌ１、Ｌ２の流れる方向と、誘導空間１１２から混合空間１１１へ流出する全ての流体の流れる方向とのなす角度は、従来構造における角度（９０°）より小さく抑えることができる。なお、ここでの従来構造における角度としては、誘導空間の側壁部と底部とのなす角度を想定している。
【００５５】
したがって、流体制御デバイス１１０の構成によれば、図４を用いて説明したメカニズムにより、誘導空間１１２を流れる流体の流れを妨げる力が低減するため、従来構造に比べて、外部から流体に対して加える圧力の損失を低減させることが可能となる。
【００５６】
また、変形例１に係る流体制御デバイス１１０の構成によれば、誘導空間の底部１１２ｃが平坦であるため、誘導空間１１２において、流体Ｌ１、Ｌ２の流れる方向が一定に保たれる。したがって、誘導空間の底部１１２ｃにおいては、渦の発生する虞がなく、渦の発生に伴う圧力損失を抑えることができる。
【００５７】
［変形例２］
図６は、第一実施形態の変形例２に係る流体制御デバイス１２０の断面図である。流体制御デバイス１２０において、誘導空間１２２は、その底部１２２ｃが湾曲しており、導入空間１２３から遠ざかるにつれて、次第に浅くなっている。すなわち、導入空間の底部１２３ｃに対する誘導空間の底部１２２ｃの段差Ｓ３は、誘導空間の他方の開口部１２２ｂから内側に進むにつれて、次第に増加している。
【００５８】
より詳細には、段差Ｓ３は、誘導空間の他方の開口部１２２ｂから内側に進むにつれて、非線形（曲線状）に増加している。さらに、誘導空間の他方の開口部１２２ｂから内側に進むにつれて、段差Ｓ３の変化の割合が増加している。流体制御デバイス１２０の誘導空間の底部１２２ｃ以外の構成は、第一実施形態に係る流体制御デバイス１００と同様の構成になっている。
【００５９】
変形例２に係る流体制御デバイス１２０の構成によれば、導入空間１２３から誘導空間１２２に流入した全ての流体Ｌ１、Ｌ２が、誘導空間の底部１２２ｃに沿って流れることによって、混合空間１２１の入口により近い位置に安定して誘導される。これにより、導入空間１２３から混合空間１２１に至る全ての流体Ｌ１、Ｌ２の流路が、各々の流れる方向において緩やかに変化する形状となる。
【００６０】
導入空間１２３から誘導空間１２２へ流入する全ての流体Ｌ１、Ｌ２の流れる方向と、誘導空間１２２から混合空間１１１へ流出する全ての流体の流れる方向とのなす角度は、誘導空間の他方の開口部１２２ｂから内側に進むにつれて緩やかに変化する。この角度の変化は、従来構造における角度（９０°）より小さい範囲内に抑えることができる。なお、ここでの従来構造における角度としては、誘導空間の側壁部と底部とのなす角度を想定している。
【００６１】
したがって、流体制御デバイス１２０の構成によれば、図４を用いて説明したメカニズムにより、誘導空間１２２を流れる流体の流れを妨げる力が低減するため、従来構造に比べて、外部から流体に対して加える圧力の損失を低減させることが可能となる。
【００６２】
また、変形例２に係る流体制御デバイス１２０の構成によれば、誘導空間の底部１２２ｃは、曲面をなしているため、誘導空間１２２において流体Ｌ１、Ｌ２の流れる方向が混合空間１２１を向くように、導入空間１２１から遠ざかるにつれて少しずつ変化させることができる。したがって、流体Ｌ１、Ｌ２が誘導空間１２２を流れる過程において、流体Ｌ１、Ｌ２の流れる方向が急激に変化するのに伴う圧力損失を低減させることができる。
【００６３】
図６においては、誘導空間の他方の開口部１２２ｂから内側に進むにつれて、段差Ｓ３の変化の割合が増加している場合を例として示したが、段差Ｓ３の変化の割合が減少している場合であっても、変形例２に対して上述した効果を得ることができる。
【００６４】
［変形例３］
図７は、第一実施形態の変形例３に係る流体制御デバイス１３０の断面図である。流体制御デバイス１３０において、導入空間１３３は、その底部１３３ｃが傾斜しており、誘導空間の他方の開口部１３２ｂに近づくにつれて、次第に浅くなっている。導入空間の底部１３３ｃに対する誘導空間の底部１３２ｃの段差Ｓ４は、誘導空間の他方の開口部１３２ｂに近づくにつれて、次第に減少している。
【００６５】
より詳細には、段差Ｓ４は、誘導空間の他方の開口部１３２ｂに近づくにつれて、線形（直線状）に減少している。流体制御デバイス１３０の導入空間の底部１３３ｃ以外の構成は、第一実施形態に係る流体制御デバイス１００と同様の構成になっている。
【００６６】
変形例３に係る流体制御デバイス１３０の構成によれば、流体Ｌ１、Ｌ２は、誘導空間１３２に対して、導入空間の底部１３３ｃの傾斜に沿った方向に流入する。そして、流入した流体Ｌ１、Ｌ２は、混合空間１３１の入口により近い位置に安定して誘導される。これにより、導入空間１３３から混合空間１３１に至る流体Ｌ１、Ｌ２の流路が、各々の流れる方向において緩やかに変化する形状となる。
【００６７】
すなわち、導入空間１３３から誘導空間１３２へ流入する流体Ｌ１、Ｌ２の流れる方向と、誘導空間１３２から混合空間１３１へ流出する流体の流れる方向とのなす角度は、従来構造における角度（９０°）より小さく抑えることができる。なお、ここでの従来構造における角度としては、誘導空間の側壁部と底部とのなす角度を想定している。
【００６８】
したがって、流体制御デバイス１３０の構成によれば、図４を用いて説明したメカニズムにより、誘導空間１３２を流れる流体の流れを妨げる力が低減するため、従来構造に比べて、外部から流体に対して加える圧力の損失を低減させることが可能となる。
【００６９】
また、変形例３に係る流体制御デバイス１３０の構成によれば、導入空間の底部１３２ｃが平坦であるため、導入空間１３２において、流体Ｌ１、Ｌ２の流れる方向が一定に保たれる。したがって、誘導空間の底部１３２ｃにおいては、渦の発生する虞がなく、渦の発生に伴う圧力損失を抑えることができる。
【００７０】
［変形例４］
図８は、第一実施形態の変形例４に係る流体制御デバイス１４０の断面図である。流体制御デバイス１４０において、導入空間１４３は、その底部１４３ｃが湾曲しており、誘導空間の他方の開口部１４２ｂに近づくにつれて、次第に浅くなっている。導入空間の底部１４３ｃに対する誘導空間の底部１４２ｃの段差Ｓ５は、誘導空間の他方の開口部１４２ｂに近づくにつれて、次第に減少している。
【００７１】
より詳細には、段差Ｓ５は、誘導空間の他方の開口部１４２ｂに近づくにつれて、非線形（曲線状）に減少している。流体制御デバイス１４０の導入空間の底部１４３ｃ以外の構成は、第一実施形態に係る流体制御デバイス１００と同様の構成になっている。
【００７２】
変形例４に係る流体制御デバイス１４０の構成によれば、流体Ｌ１、Ｌ２は、誘導空間１４２に対して、導入空間の底部１４３ｃの湾曲に沿った方向に流入する。そして、流入した流体Ｌ１、Ｌ２は、混合空間１４１の入口により近い位置に安定して誘導される。これにより、導入空間１４３から混合空間１４１に至る流体Ｌ１、Ｌ２の流路が、各々の流れる方向において緩やかに変化する形状となる。
【００７３】
すなわち、導入空間１４３から誘導空間１４２へ流入する流体Ｌ１、Ｌ２の流れる方向と、誘導空間１４２から混合空間１４１へ流出する流体の流れる方向とのなす角度は、従来構造における角度（９０°）より小さく抑えることができる。なお、ここでの従来構造における角度としては、誘導空間の側壁部と底部とのなす角度を想定している。
【００７４】
したがって、流体制御デバイス１４０の構成によれば、図４を用いて説明したメカニズムにより、誘導空間１４２を流れる流体の流れを妨げる力が低減するため、従来構造に比べて、外部から流体に対して加える圧力の損失を低減させることが可能となる。
【００７５】
また、変形例４に係る流体制御デバイス１４０の構成によれば、導入空間の底部１４３ｃが曲面をなしているため、導入空間１４３において、流体Ｌ１、Ｌ２の流れる方向が混合空間１４１を向くように、誘導空間の他方の開口部１４２ｂに近づくにつれて、少しずつ変化させることができる。したがって、流体Ｌ１、Ｌ２が導入空間１４２を流れる過程において、流体Ｌ１、Ｌ２の流れる方向が急激に変化するのに伴う圧力損失を低減させることができる。
【００７６】
図８においては、誘導空間の他方の開口部１２２ｂに近づくにつれて、段差Ｓ５の変化の割合が増加している場合を例として示したが、段差Ｓ３の変化の割合が減少している場合であっても、変形例４に対して上述した効果を得ることができる。
【００７７】
［変形例５］
図９は、第一実施形態の変形例５に係る流体制御デバイス１５０の断面図である。流体制御デバイス１５０において、導入空間の底部１５３ｃは、変形例３に係る流体制御デバイス１３０と同様の構成となっている。また、流体制御デバイス１５０において、誘導空間の底部１５２ｃは、導入空間１５３側から順に、深さが一定の部位１５２ｄと、導入空間１１３から遠ざかるにつれて次第に浅くなるように傾斜している部位１５２ｅとからなっている。
【００７８】
導入空間の底部１５３ｃに対する誘導空間の底部を構成する部位１５２ｄの段差Ｓ６は、誘導空間の他方の開口部１５２ｂに近づくにつれて、次第に減少している。誘導空間の底部を構成する部位１５２ｄに対する部位１５２ｅの段差Ｓ７、すなわち、誘導空間一方の開口部１５２ａからのから見た、部位１５２ｄと部位１５２ｅとの深さの差は、導入空間１５３から遠ざかるにつれて、次第に増加している。
【００７９】
より詳細には、段差Ｓ６は、誘導空間の他方の開口部１５２ｂから内側に進むにつれて、線形（直線状）に増加している。そして、段差Ｓ７は、誘導空間の他方の開口部１３２ｂに近づくにつれて、線形（直線状）に減少している。流体制御デバイス１５０の誘導空間の底部１５２ｃおよび導入空間の底部１５３ｃ以外の構成は、第一実施形態に係る流体制御デバイス１００と同様の構成になっている。
【００８０】
変形例５に係る流体制御デバイス１５０の構成によれば、流体Ｌ１、Ｌ２が、導入空間１５３においては、傾斜した底部１５３ｃに沿って流れ、誘導空間１５２においては、傾斜した底部１５２ｅに沿って流れることによって、混合空間１５１の入口により近い位置に安定して誘導される。これにより、導入空間１５３から混合空間１５１に至る全ての流体Ｌ１、Ｌ２の流路が、各々の流れる方向において緩やかに変化する形状となる。
【００８１】
すなわち、導入空間１５３から誘導空間１３２へ流入する流体Ｌ１、Ｌ２の流れる方向と、誘導空間１３２から混合空間１５１へ流出する流体の流れる方向とのなす角度は、従来構造における角度（９０°）より小さく抑えることができる。なお、ここでの従来構造における角度としては、誘導空間の側壁部と底部とのなす角度を想定している。
【００８２】
したがって、流体制御デバイス１５０の構成によれば、図４を用いて説明したメカニズムにより、誘導空間１５２を流れる流体の流れを妨げる力が低減するため、従来構造に比べて、外部から流体に対して加える圧力の損失を低減させることが可能となる。
【００８３】
なお、図９においては、誘導空間の底部１５２ｃを構成する部位１５２ｅが平面をなし、かつ傾斜している例を示しているが、誘導空間の底部１５２ｃは、変形例２に係る流体制御デバイス１２０の誘導空間の底部１２２ｃのように、湾曲していてもよい。また、図９においては、導入空間の１５３ｃが平面をなし、かつ傾斜している例を示しているが、導入空間の底部１５３ｃは、変形例４に係る流体制御デバイス１４０の誘導空間の底部１４２ｃのように、湾曲していてもよい。
【００８４】
［変形例６］
図１０は、第一実施形態の変形例６に係る流体制御デバイス１６０の断面図である。流体制御デバイス１６０において、誘導空間の底部１６２ｃは、階段状をなしている。ここでは、階段が四段で構成されている例を示しているが、段数に制限はない。ただし、段数が多く、かつ、各段差Ｓ８が小さいほど望ましい。段数を増やし、各段差Ｓ８を小さくした極限の形状は、変形例１に係る流体制御デバイス１１０の誘導空間の底部１１２ｃの傾斜した形状となる。各段差Ｓ８は、互いに等しくてもよいし、異なっていてもよい。流体制御デバイス１６０の誘導空間の底部１６２ｃ以外の構成は、第一実施形態に係る流体制御デバイス１００と同様の構成になっている。
【００８５】
変形例６に係る流体制御デバイス１６０の構成によれば、誘導空間の一方の開口部から、内部に垂直に延びる方向を深さ方向Ｄと見たときに、誘導空間の底部１６２ｃが、階段を構成するいずれの部位においても、導入空間の底部１６３ｃより浅い位置にある。そのため、第一実施形態に係る流体制御デバイス１００と同様に、導入空間１６３から誘導空間１６２に流入する大部分の流体Ｌ１、Ｌ２は、流入前より浅い位置へ誘導されて流れる。そして、流体Ｌ１、Ｌ２の流入方向は、誘導空間１６２に流入する前と比べて、混合空間１６１の入口に近い位置に向けて傾くように変化する。すなわち、誘導空間１６２に対する流体Ｌ１、Ｌ２の流入方向と、混合空間１６１に対する流体Ｌ１、Ｌ２の流出方向とのなす角度を、従来構造の誘導空間の側壁部と底部とのなす角度（９０°）より小さく抑えることができる。
【００８６】
したがって、導入空間１６３から混合空間１６１に至る流体Ｌ１、Ｌ２の流路が、流体Ｌ１、Ｌ２の流れる方向において緩やかに変化する形状となるそのため、従来構造のように急な曲がりを有する場合に比べて、外部から流体Ｌ１、Ｌ２に対して加える圧力の損失を低減させることが可能となる。
【００８７】
また、上述した流体Ｌ１、Ｌ２の流入方向の変化により、誘導空間の底部１６２ｃから混合空間１６１までの距離が短くなる．そのため、流体Ｌ１、Ｌ２が誘導空間１６２から混合空間１６１へ流出する際に、流出方向が変化するのを抑えることができ、効率的な混合を実現することができる。
さらに、誘導空間の底部１６２ｃから混合空間１６１までの距離が短くなり、流路壁と流体の摩擦によって発生するエネルギー損失が低減することにより、流体Ｌ１、Ｌ２の誘導空間における圧力の損失を低減させることができる。
【００８８】
［流体制御デバイスの製造方法１］
第一実施形態に係る流体制御デバイス１００を構成する、第二構造部１００Ｂの製造方法１として、レーザードリルを用いた方法を、図１１を用いて説明する。レーザードリルは、耐薬性・耐腐食性に優れているＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、チタンなどからなる基体を用いる場合に、有効な方法となる。図１１は、製造工程中の被処理体の斜視図であり、レーザードリルを用いて、流体制御デバイス１００を構成する基体１０４の内部に、誘導空間１０２Ａ、１０２Ｂ、導入空間１０３Ａ、１０３Ｂを形成している様子を示している。
【００８９】
図１１に示すように、基体１０４内の各流路を形成する部分に対して、レンズなどを用いて集光し、強度を高めたレーザー（レーザードリル）Ｌを照射することにより、照射された部分を溶融または蒸発させて除去することができる。レーザードリルＬを用いることにより、例えば深さが１００［μｍ］以上３００［μｍ］以下、スリット幅が２０［μｍ］以上５０［μｍ］以下の高アスペクト比の微細加工を行うことができる。
【００９０】
レーザードリルによる加工は、被処理体である基体１０４に対して非接触で行われるため、流路を三次元的に形成することが可能である。また、レーザーが照射された部分の溶融、蒸発は、短時間で起きるため、レーザードリルによる加工は、短時間で行うことが可能であり、流体制御デバイス１００を高速で大量に生産する場合に有効な方法となる。流体制御デバイス１００を構成する第一構造部１００Ａの製造も、同様の手順で行うことができる。
【００９１】
なお、上述した製造方法１は、変形例１〜６に係る流体制御デバイス１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０を構成する、第二構造部１１０Ｂ、１２０Ｂ、１３０Ｂ、１４０Ｂ、１５０Ｂ、１６０Ｂを製造する際にも適用することができる。
【００９２】
［流体制御デバイスの製造方法２］
第一実施形態に係る流体制御デバイス１００の製造方法２として、ＬｉＧＡ（Lithographie  Galvanoforming  Abformung）プロセスによる方法を、図１２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。ＬｉＧＡプロセスは、耐薬性・耐腐食性に優れるポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ（登録商標））やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの樹脂、フッ素ゴムなどの熱可塑性・硬化性樹脂などからなる基体を用いる場合に、有効な方法となる。図１２（ａ）〜（ｃ）は、ＬｉＧＡプロセスの各工程における被処理体の斜視図である。
【００９３】
まず、図１２（ａ）に示すように、基体の原料からなる未加工の部材１０４Ａと、基体に形成する流路に対応する凹凸形状Ｍ１を備えた鋳型Ｍと、を準備する。凹凸形状Ｍ１は、例えば、所定の基板Ｍ２上に厚膜のレジストをパターンニングすることによって形成することができる。
【００９４】
次に、図１２（ｂ）に示すように、鋳型Ｍに対し、凹凸形状Ｍ１が覆われるように、部材１０４Ａを重ねて押圧する。そして、鋳型Ｍとともに、押圧された状態の部材１０４Ａを加熱する。
【００９５】
そして、図１２（ｃ）に示すように、部材１０４Ａから、鋳型Ｍを取り外すことにより、凹凸形状Ｍ１が転写され、流路が形成された基体１０４を得ることができる。流体制御デバイス１００を構成する第一構造部１００Ａの製造も、同様の手順で行うことができる。
【００９６】
なお、上述した製造方法２は、変形例１〜６に係る流体制御デバイス１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０を構成する、第二構造部１１０Ｂ、１２０Ｂ、１３０Ｂ、１４０Ｂ、１５０Ｂ、１６０Ｂを製造する際にも適用することができる。
【００９７】
［流体制御デバイスの製造方法３］
第一実施形態に係る流体制御デバイス１００の製造方法３として、レーザーによるアシストエッチングを行う方法について説明する。レーザーによるアシストエッチングは、ガラスなどの透明な部材からなる基体を用いる場合に、有効な方法となる。
【００９８】
まず、基体内の流路を形成する領域にフェムト秒レーザーなどの短パルスレーザーを集光照射し、集光した焦点の近傍域に構造改質部を形成する。続いて、構造改質部が形成された基体を、フッ酸や水酸化カリウム（ＫＯＨ）などのエッチング液に浸漬することにより、構造改質部を優先的にエッチングし、そこに流路として機能する空間を形成する。このような処理を繰り返し行うことによって、所定の形状の流路を備えた基体を得ることができる。
【００９９】
なお、上述した製造方法３は、変形例１〜６に係る流体制御デバイス１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０を製造する際にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、微小空間において行われる、複数種類の流体同士の混合・反応などのマイクロ化学プロセスを用いる技術分野に対して、広く適用することができる。
【符号の説明】
【０１０１】
１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０・・・流体制御デバイス、
１０１、１１１、１２１、１３１、１４１、１５１、１６１・・・混合空間、
１０２、１１２、１２２、１３２、１４２、１５２、１６２・・・誘導空間、
１０２ａ、１１２ａ、１２２ａ、１３２ａ・・・一方の開口部、
１４２ａ、１５２ａ、１６２ａ・・・一方の開口部、
１０２ｂ、１１２ｂ、１２２ｂ、１３２ｂ・・・他方の開口部、
１４２ｂ、１５２ｂ、１６２ｂ・・・他方の開口部、
１０２ｃ、１１２ｃ、１２２ｃ、１３２ｃ・・・他方の開口部、
１４２ｃ、１５２ｃ、１６２ｃ・・・他方の開口部、
１０３、１１３、１２３、１３３、１４３、１５３、１６３・・・導入空間、
１０４、１１４、１２４、１３４、１４４、１５４、１６４・・・基体、
１０５・・・連結部、Ｄ・・・深さ方向、Ｌ１、Ｌ２・・・流体、Ｐ・・・平面、
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８・・・段差、Ｗ・・・幅方向。
【図１】
2015016453.tif 000005
【図２】
2015016453.tif 000006
【図３】
2015016453.tif 000007
【図４】
2015016453.tif 000008
【図５】
2015016453.tif 000009
【図６】
2015016453.tif 000010
【図７】
2015016453.tif 000011
【図８】
2015016453.tif 000012
【図９】
2015016453.tif 000013
【図１０】
2015016453.tif 000014
【図１１】
2015016453.tif 000015
【図１２】
2015016453.tif 000016
【図１３】
2015016453.tif 000017