(57)【要約】【課題】液体を圧送するマイクロ流路の長短に関わらず、マイクロバルブの密閉性（シール性）を確保できるマイクロバルブを有するマイクロ流路デバイスを提供する。【解決手段】少なくとも、液体が圧送される第１のマイクロ流路３を備えた第１の層５と気体が圧送される第２のマイクロ流路４を備えた第２の層６とを互いに積層した状態のマイクロ流路デバイス２を構成する。そして、第１のマイクロ流路３と第２のマイクロ流路４とを空間的に交差させることでマイクロバルブ１を形成し、第１のマイクロ流路３の断面積をマイクロバルブ１へ近づくほど減少させるマイクロ流路デバイス２とする。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、液体が圧送される第１のマイクロ流路を備えた第１の層と、気体が圧送される第２のマイクロ流路を備えた第２の層と、が互いに積層された状態で構成されており、前記第１のマイクロ流路と、前記第２のマイクロ流路と、を空間的に交差させることでマイクロバルブが形成されているマイクロ流路デバイスであって、前記第１のマイクロ流路の断面積が、前記マイクロバルブに向かうに従って減少していることを特徴とするマイクロバルブを有するマイクロ流路デバイス。
【請求項２】
前記マイクロバルブにおける前記第１のマイクロ流路の断面形状が円弧形状または楕円弧形状であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブを有するマイクロ流路デバイス。
【請求項３】
前記マイクロバルブに向かうに従って、前記第１のマイクロ流路の断面形状が、矩形、矩形の角が丸められた形状、円弧と矩形との組合せ形状、円弧形状、の順で連続的に変化していることを特徴とする請求項２に記載のマイクロバルブを有するマイクロ流路デバイス。
【請求項４】
前記マイクロバルブにおける前記第１のマイクロ流路の内面に微細な凹凸が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載のマイクロバルブを有するマイクロ流路デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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を有したマイクロ流路デバイスに関する。  
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロ化学分析システムを含む創薬、医療などのバイオ分野や反応化学の分野では、少量のサンプルで解析時間も短縮できることから、マイクロ流路デバイスが注目されている。特に、医療分野（ナノメディシン）ではサンプルの混合を極力避けるために使い切りの樹脂製マイクロ流路デバイスが求められている。このマイクロ流路デバイス内で流体を制御するためには、マイクロ流路を開閉するバルブ機能を備えたマイクロバルブがとりわけ重要である。
【０００３】
例えば、特許文献１では液体を流す層と気体を流す層との間に膜となる部品を挿入して、その膜の上下方向の可動でマイクロバルブの機能を果たすマイクロバルブユニットが説明されている。また、特許文献２には、液体を流す層の上方に別個の層を設けて、押圧体を上下方向に可動させることでマイクロバルブの機能を果たすマイクロバルブ機構が説明されている。さらに、特許文献３には、マイクロ流路と並列して別個のバルブ部品を備えたマイクロバルブ機能が説明されている。
【０００４】
しかし、特許文献１ないし３に記載のマイクロバルブには、マイクロバルブの機能を果たす押圧体や膜となる層を、マイクロ流路を備える層とは別個に準備しなければならず部品点数が増えて、マイクロバルブを含むマイクロ流路デバイスを製作するのが煩雑になるという問題があった。
【０００５】
そこで、非特許文献１では図１０に示すように、ＡｃｔｕａｔｉｏｎＣｈａｎｎｅｌ（主に気体を圧送する流路）とＦｌｕｉｄｉｃＣｈａｎｎｅｌ（主に液体を圧送する流路）とで構成されるマイクロバルブは、ＡｃｔｕａｔｉｏｎＣｈａｎｎｅｌに加えられた圧力によってＡｃｔｕａｔｉｏｎＣｈａｎｎｅｌとＦｌｕｉｄｉｃＣｈａｎｎｅｌとの間に形成された膜が変形して、ＦｌｕｉｄｉｃＣｈａｎｎｅｌを閉じる（閉鎖する）構造が説明されている。このような構造であれば、液体と気体を各々圧送する流路を備えた２層を積層するだけでマイクロバルブ機能を発揮するシステムが構成されるので、部品点数の削減とマイクロ流路デバイスの製作も容易になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３０４４４０号公報
【特許文献２】特開２００５−３０８２００号公報
【特許文献３】特開２０１０−１６９５５１号公報
【０００７】
【非特許文献１】ＶｉｎｃｅｎｔＳｔｕｄｅｒ，ＧｉａｏＨａｎｇ，ＡｎｎａＰａｎｄｏｌｆｉ，ＭｉｃｈａｅｌＯｒｔｉｚ，Ｗ．ＦｒｅｎｃｈＡｎｄｅｒｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．“ＳｃａｌｉｎｇＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓＯｆＡｌｏｗ−ａｃｕｔｕａｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｖａｌｖｅ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９５，３９３（２００４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、非特許文献１に記載のマイクロバルブを製作するための金型はレジストのリフローを利用したプロセスで得られており、ＦｌｕｉｄｉｃＣｈａｎｎｅｌはマイクロバルブ機能を必要としない部分でも同じ断面形状を有している。そのため、ＦｌｕｉｄｉｃＣｈａｎｎｅｌ全体の断面積が狭くなり、液体を圧送するマイクロ流路全体が長くなると、十分な流量を得るためには高い流体圧力が必要になるので、流体抵抗が増加するという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明においては液体を圧送するマイクロ流路の長短に関わらず、マイクロバルブ部分の密閉性（シール性）を確保できるマイクロバルブを有するマイクロ流路デバイスを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述した課題を解決するために、本発明者はマイクロ流路に関して鋭意研究した結果、超精密機械加工を駆使することで液体が流れるマイクロ流路の断面形状が連続的に変化する流路金型を製作し、その金型を用いて成型したマイクロ流路を用いることでマイクロバルブの密閉性（シール性）が向上することを見出した。すなわち、本発明に係るマイクロ流路デバイスは、少なくとも、液体が圧送される第１のマイクロ流路を備えた第１の層と、気体が圧送される第２のマイクロ流路を備えた第２の層と、が互いに積層された状態で構成されており、第１のマイクロ流路と第２のマイクロ流路とを空間的に交差させることでマイクロバルブが形成されているマイクロ流路デバイスであって、第１のマイクロ流路の断面積がマイクロバルブに向かうに従って減少している、マイクロバルブを有するマイクロ流路デバイスとした。このようなデバイスにより、マイクロバルブへ向かうに従って第１のマイクロ流路の断面積が減少していることで、第１のマイクロ流路に流れる液体の流量および流速がマイクロバルブに近づくほどに減少する。
【００１１】
また、請求項２に係る発明は、マイクロバルブにおける第１のマイクロ流路の断面形状が円弧形状または楕円弧形状である、マイクロバルブを有するマイクロ流路デバイスとした。このようなデバイスにより、第１のマイクロ流路の幅および高さが同一であれば、その流路の断面積は断面形状が矩形の場合よりも小さくなる。
【００１２】
さらに、請求項３に係る発明は、マイクロバルブへ向かうに従い、第１のマイクロ流路の断面形状が、矩形、矩形の角が丸められた形状、円弧と矩形との組合せ形状、円弧形状、の順で連続的に変化している、マイクロバルブを有するマイクロ流路デバイスとした。また、請求項４に係る発明は、マイクロバルブにおける第１のマイクロ流路の内面に微細な凹凸が設けられている、マイクロバルブを有するマイクロ流路デバイスとした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るマイクロ流路デバイスは、マイクロバルブへ向かうに従って第１のマイクロ流路の断面積が減少していることで、第１のマイクロ流路に流れる液体の流量および流速がマイクロバルブに近づくほどに減少するので、マイクロ流路の長短に関わらずマイクロバルブのシール性が向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態の一例であるマイクロ流路デバイス２を構成する第１の層５の第１のマイクロ流路３を成型する金型１０の斜視図である。
【図２】図１に示す金型１０から成型された第１のマイクロ流路３を備える第１の層５の斜視図である。
【図３】図２に示す第１の層５の平面図である。
【図４】図３に示す第１の層５の平面図における、（ａ）Ａ−Ａ端面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ端面図、（ｃ）Ｃ−Ｃ端面図、（ｄ）Ｄ−Ｄ端面図である。
【図５】図２に示す第１のマイクロ流路３と、第２のマイクロ流路４とから構成されるマイクロバルブ１周辺のマイクロ流路デバイス２を示す模式図（斜視図）である。
【図６】マイクロバルブ１部分の拡大断面斜視図である。
【図７】マイクロバルブ性能評価試験における圧縮空気の圧力とマイクロ流路のＩＮ側とＯＵＴ側の２点間で測定した電気抵抗値の関係である。
【図８】（ａ）本発明品の第２の流路に圧縮空気を圧送する前のマイクロバルブ部分、（ｂ）本発明品の第２の流路に圧縮空気を圧送した時のマイクロバルブ部分の顕微鏡写真である。
【図９】（ａ）従来品の流路に圧縮空気を圧送する前のマイクロバルブ部分、（ｂ）従来品の流路に圧縮空気を圧送した時のマイクロバルブ部分の顕微鏡写真である。
【図１０】非特許文献１のＦｉｇ．１に示されているＡｃｔｕａｔｉｏｎＣｈａｎｎｅｌ（主に気体を圧送する流路）とＦｌｕｉｄｉｃＣｈａｎｎｅｌ（主に液体を圧送する流路）とで構成されるマイクロバルブの断面構造である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態の一例について図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態の一例であるマイクロ流路デバイス２を構成する第１の層５の第１のマイクロ流路３を成型する金型１０の斜視図、図２は図１で示した金型１０を用いて成型された第１のマイクロ流路３を備える第１の層５の斜視図である。本発明のマイクロ流路デバイス２を構成する第１のマイクロ流路３の形状は、図１および図２に示すように金型１０における凸部をそのまま転写した形状になっており、中央部分（マイクロバルブ１部分）へ近づくに従って、第１のマイクロ流路３の断面積が減少している。
【００１６】
第１のマイクロ流路３の断面積をマイクロバルブ部分へ向かうに従って減少させる形態には、以下の３種類の形態がある。すなわち、（１）流路の幅を一定とした状態で流路の高さのみをマイクロバルブに向かうにしたがって徐々に低くすることで流路の断面積を減少させる形態、（２）流路の高さを一定とした状態で流路の幅のみをマイクロバルブに向かうにしたがって徐々に狭くすることで流路の断面積を減少させる形態、（３）マイクロバルブに向かうにしたがって流路の幅を徐々に狭くすると同時に流路の高さも徐々に低くすることで流路の断面積を減少させる形態、の３種類の形態である。本発明を構成するマイクロ流路（第１のマイクロ流路２）では、マイクロ流路を成型する金型の製作が比較的容易であること、およびマイクロ流路に液体を圧送した時に同流路内に局所的な滞留の発生をできるだけ抑制するという２つの観点から上記（１）、すなわちマイクロ流路の幅を一定とした状態で流路の高さのみをマイクロバルブに向かうにしたがって徐々に低くすることで流路の断面積を減少させる形態を採用した。
【００１７】
図３は図２に示す第１の層５の平面図、図４は図３に示す平面図における（ａ）Ａ−Ａ端面図、（ｂ）Ｂ−Ｂ端面図、（ｃ）Ｃ−Ｃ端面図、（ｄ）Ｄ−Ｄ端面図である。第１のマイクロ流路３の断面形状は、図４に示すようにマイクロバルブ１へ向かうに従って、矩形（図４（ａ））、矩形の角が丸められた形状（図４（ｂ））、円弧と矩形との組合せ形状（図４（ｃ））、円弧形状（図４（ｄ））の順で連続的に変化している。
【００１８】
次に、本発明のマイクロバルブ１を有したマイクロ流路デバイス２について説明する。図５は、図２で示した第１のマイクロ流路３と第２のマイクロ流路４とから構成されるマイクロバルブ１周辺のマイクロ流路デバイス２を示す模式図（斜視図）である。マイクロ流路デバイス２の製作方法は、まず第１の層５と第２の層６とを別個の金型でＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を用いてそれぞれ樹脂成型する。次に、図５に示すように第１のマイクロ流路３を備える第１の層５が上層に、断面形状が矩形である第２のマイクロ流路４を備えた第２の層６が下層になるように、ガラスプレート２０上にて積層した状態で加熱することにより一体化した構造として製作する。この時、第１のマイクロ流路３と第２のマイクロ流路４とが、互いにねじれの位置となる様に空間的に交差するように一体化を行う。
【００１９】
次に、第１のマイクロ流路３と第２のマイクロ流路４とが、空間的に交差していることで形成されるマイクロバルブ１について説明する。図６は、マイクロ流路デバイス２におけるマイクロバルブ１部分の拡大断面斜視図である。第１のマイクロ流路３と第２のマイクロ流路４とが交差している部分は、図５および図６に示すように第２のマイクロ流路４の薄膜部分（天井部分）７を介して、第１のマイクロ流路３と接している。第２のマイクロ流路４に圧縮空気が圧送されることで、薄膜部分７が上方、すなわち第１のマイクロ流路３の方向に向かってバルーン状に膨張する。その膨張した薄膜部分７が、第１のマイクロ流路３の内面（壁面）と密着することで第１のマイクロ流路３内における液体の流れを遮断する。
【実施例】
【００２０】
第１のマイクロ流路を図１に示した金型により樹脂成型し、図５に示す構造となるように製作した本発明に係るマイクロ流路デバイス（以下、本発明品という）と、液体が流れるマイクロ流路の断面形状が一定形状（矩形）で変化しない金型を用いて樹脂成型、製作した従来のマイクロ流路デバイス（以下、従来品という）の２種類のマイクロ流路デバイスを使用して、マイクロバルブの性能評価試験を行った。マイクロバルブの性能評価は、液体が流れる流路の入口（ＩＮ）側から出口（ＯＵＴ）側に向けてリン酸緩衝生理食塩水（以下、食塩水という）を所定の水圧で圧送した状態で、気体が流れる流路に圧力を変えて圧縮空気を流した。圧縮空気の調整方法については、圧縮空気が流入する側のマイクロ流路に図示しない電磁弁と、この電磁弁へ電気信号を送るための図示しないシーケンサーを接続した上で、このシーケンサーを図示しない制御用パソコンのＵＳＢポートに接続することで圧縮空気の圧力を調整した。
【００２１】
なお、本実施例で用いた金型材料には無酸素銅を使用し、樹脂成型した際にマイクロバルブを形成する金型の部分については、不二越社製導光板金型加工機（品番：ＡＭＧ６２Ｐ）に単結晶ダイヤモンド被覆バイト（先端径Ｒ０．１ｍｍ）を取付けて、理論面粗さ５ｎｍとなるように超精密機械加工を行って製作した。
【００２２】
また、本発明品の第１のマイクロ流路の寸法は、ＩＮ側およびＯＵＴ側（断面形状が矩形）の流路幅（横幅）は２００μｍ、流路高（高さ）は１００μｍであり、マイクロバルブ部（断面形状が円弧状）の流路幅（横幅）は２００μｍ、流路高は２０μｍとした。また、従来品の液体を流すマイクロ流路の寸法は、流路幅は２００μｍ、流路高は１００μｍの一定寸法とした。
【００２３】
マイクロバルブの性能評価（シール性評価）方法は、気体が流れる流路に圧力を変えて圧縮空気を流した状態で、食塩水が流れるマイクロ流路のＩＮ側とＯＵＴ側の２点間の電気抵抗値を測定することで性能評価した。すなわち、マイクロバルブのシール性能（食塩水の流れを遮断する性能）が高い場合には、マイクロバルブ部分で食塩水の流れが遮断されるために導通されにくく（電気が流れにくく）なる結果、マイクロ流路のＩＮ側とＯＵＴ側の２点間の電気抵抗値は高くなる。
【００２４】
これとは反対に、マイクロバルブのシール性能が低い場合には、マイクロバルブ部分で食塩水が滞りなく流れて容易に導通される（電気が流れる）結果、マイクロ流路のＩＮ側とＯＵＴ側の２点間の電気抵抗値は低くなる。図７はマイクロバルブの性能評価試験における圧縮空気の圧力とマイクロ流路のＩＮ側とＯＵＴ側の２点間で測定した電気抵抗値の関係を示す。また、図８はマイクロバルブの性能評価試験（圧縮空気圧力：３５ｋＰａ）における本発明品のマイクロバルブ部分の顕微鏡写真を、図９は従来品のマイクロバルブ部分の顕微鏡写真をそれぞれ示す。
【００２５】
まず、本発明品を用いた場合、図７に示すように圧縮空気の圧力が０ｋＰａの時、すなわちマイクロバルブがバルブ機能を発揮していない状態では２点間の電気抵抗値は１ＭΩであり、圧縮空気の圧力を２０ｋＰａまで上昇させるまでの範囲では２点間の電気抵抗値も約１ＭΩで推移した。その後、圧縮空気の圧力が２０ｋＰａを超えると、電気抵抗値が上昇し、圧縮空気の圧力が３５ｋＰａの場合では３．３４ＭΩ、４０ｋＰａの場合では約５ＭΩ、５０ｋＰａの場合では約７ＭΩ、６０ｋＰａの場合では最終的に約１１ＭΩまで上昇した。最終的には、圧縮空気の圧力を０ｋＰａから最大値（６０ｋＰａ）にした時の電気抵抗値の増加量は約１０ＭΩであった。
【００２６】
したがって、本発明品においてマイクロバルブの機能を発揮させる圧縮空気の圧力を増加させると２点間の電気抵抗値も上昇したので、圧送した食塩水の流れを遮断する性能（シール性）が向上したことがわかった。また、図８（ｂ）に示すように、本発明品のマイクロバルブ部分では第２の流路に圧縮空気が圧送されると、第２の流路の一部が上方に向かってバルーン状に膨らむことで、第１の流路の食塩水の流れをほぼ完全に遮断している様子がわかった。
【００２７】
これに対して、従来品のマイクロバルブを用いた場合、図７に示すように圧縮空気の圧力が０ｋＰａの時、すなわちマイクロバルブがバルブ機能を発揮していない状態では２点間の電気抵抗値は４．８ＭΩである。その後、圧縮空気の圧力を６０ｋＰａまで上昇させても２点間の電気抵抗値は５．０ＭΩで推移し、圧縮空気の圧力を変えても２点間の電気抵抗値は０．２ＭΩ程度上昇したに過ぎない結果となった。これは、マイクロバルブのシール機能により食塩水が流れる流路の断面積が約４％減少したに過ぎないことを示す結果となった。
【００２８】
したがって、従来品のマイクロバルブではそのバルブ機能を発揮させる圧縮空気の圧力を増加させても、２点間の電気抵抗値はほとんで上昇していないので圧送した食塩水の流れを遮断する性能（シール性）には変化がないことがわかった。また、図９（ｂ）に示すように従来品のマイクロバルブでは第２の流路に圧縮空気が圧送されると、本発明品の場合と同様に第２の流路の一部が上方に向かってバルーン状にはふくらむが、第１の流路の一部のみが遮断されており、隙間が生じている様子がわかった。
【００２９】
以上の試験結果より、本発明品、すなわち第１のマイクロ流路と第２のマイクロ流路とが空間的に交差することでマイクロバルブを形成しており、液体が流れる第１のマイクロ流路の断面積がマイクロバルブに向かうに従って減少している構造とすることで、マイクロバルブ付近においても断面積が一定で変化しない（液体が流れる）マイクロ流路を有する構造の場合に比べて、液体の流れを遮断するシール性能が優れていることがわかった。
【００３０】
なお、本試験では１本の第１のマイクロ流路と１本の第２のマイクロ流路から形成された１つのマイクロバルブを有するマイクロ流路デバイスを用いた場合について説明したが、１本の第１のマイクロ流路に対して複数本の第２のマイクロ流路が空間的に交差することで形成される複数個のマイクロバルブを有するマイクロ流路デバイスであれば、液体の流れを遮断するシール性能が更に向上することが期待される。また、本発明のマイクロ流路デバイスにおいて断面が円弧形状である第１のマイクロ流路の流路長を延長することでも同様にシール性能の向上が期待できる。
【符号の説明】
【００３１】
１      マイクロバルブ
２      （マイクロバルブ１を有する）マイクロ流路デバイス
３      第１のマイクロ流路
４      第２のマイクロ流路
５      第１の層
６      第２の層
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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