(57)【要約】【課題】粘性の異なる複数の流体同士を、効率よく大量に混合することが可能な流体制御デバイスを提供する。【解決手段】流体を混ぜるための流体制御デバイス１００であって、単一の基体１０１と、基体１０１内に配された複数の微細孔と、を少なくとも備え、微細孔のうち特定の一群αを構成する複数の第一微細孔１０２は、それぞれ、基体の表面１０１ａのうち、基体１０１の外部に臨む、領域Ａに一方の開口部１０２ｂを有し、領域Ｂに他方の開口部１０２ａを有し、微細孔のうち他の特定の一群βを構成する複数の第二微細孔１０３は、それぞれ、領域Ａと重なる空間に一方の開口部１０３ｂを有し、基体１０１の外部に臨む領域Ｃに他方の開口部１０３ａを有しており、第二微細孔１０３の孔径φβは、第一微細孔１０２の孔径φαより小さいことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を混ぜるための流体制御デバイスであって、
単一の基体と、前記基体内に配された複数の微細孔と、を少なくとも備え、
前記微細孔のうち特定の一群αを構成する複数の第一微細孔は、それぞれ、前記基体の表面のうち、前記基体の外部に臨む、領域Ａに一方の開口部を有し、領域Ｂに他方の開口部を有し、
前記微細孔のうち他の特定の一群βを構成する複数の第二微細孔は、それぞれ、前記領域Ａと重なる空間に一方の開口部を有し、前記基体の外部に臨む領域Ｃに他方の開口部を有しており、
前記第二微細孔の孔径φβは、前記第一微細孔の孔径φαより小さいことを特徴とする流体制御デバイス。
【請求項２】
前記第二微細孔は、前記領域Ａと重なる空間において、隣接する前記第一微細孔の側面に一方の開口部を有し、該一方の開口部において、該第一微細孔に連通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】
前記第一微細孔に連通する複数の前記第二微細孔の一方の開口部は、該第一微細孔の中心軸に対して対称な位置関係にあることを特徴とする請求項２に記載の流体制御デバイス。
【請求項４】
前記領域Ａにおいて、前記第一微細孔の一方の開口部は周期的に配され、隣接する該開口部同士が等間隔に配されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項５】
前記第一微細孔同士、前記第二微細孔同士は、それぞれ、互いに等しい長さとなるように配されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項６】
前記第二微細孔は、前記第一微細孔より短いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項７】
前記領域Ａにおいて、全ての微細孔の開口部は二次元的に配されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項８】
前記領域Ａにおいて、異なる群に属する微細孔の開口部同士が、最も隣接した位置関係をなしていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項９】
前記孔径φαと、前記孔径φβとの比（φβ／φα）は、０．８以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の流体制御デバイス。
【請求項１０】
前記領域Ａにおいて、前記第一微細孔の開口部の長径、前記第二微細孔の開口部の長径、および、各開口部間の距離は、いずれもてマイクロ・メーターからナノ・メーターのオーダーであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項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。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。
【０００３】
図１０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５００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５００は、基体５０１の一面５０１ａに沿って形成された、流体Ｌ３の導入空間（流入空間）５０４と、流体Ｌ４の導入空間（流入空間）５０５と、導入空間５０４から分岐した複数の誘導空間５０２と、導入空間５０５から分岐した複数の誘導空間５０３と、を備えている。誘導空間５０２と誘導空間５０３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。従来型の流体制御デバイス５００は、実際には、図１０の構造部５００に、流体制御デバイスの要部として機能する他の構造部が重ねられている。他の構造部には、構造部５００との重ね合わせ面に沿って内側に混合空間（流出空間）を備えている。混合空間は、全ての誘導空間と連通するように配されている。
【０００４】
このような構成の流体制御デバイス５００において、粘性の異なる複数の流体を流す場合、各流体の混合空間に流出する流量を揃えるため、粘性の高い方の流体に対しては、より高い圧力を加える必要がある。しかしながら、流体制御デバイスに加える外部圧力には最大値（限界値）が存在し、それ以上の外部圧力を加えた場合、薬液の漏洩、流体制御デバイス破損が起きる虞がある。したがって、混合する一方の流体の粘性が高すぎる場合には、流量を高めることが難しく、他方の流体の流量に近づけることが困難となり、十分な処理量を得られないことが問題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
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、粘性の異なる複数の流体同士を効率よく大量に混合す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】
【０００７】
本発明の請求項１に係る流体制御デバイスは、流体を混ぜるためのデバイスであって、単一の基体と、前記基体内に配された複数の微細孔と、を少なくとも備え、前記微細孔のうち特定の一群αを構成する複数の第一微細孔は、それぞれ、前記基体の表面のうち、前記基体の外部に臨む、領域Ａに一方の開口部を有し、領域Ｂに他方の開口部を有し、前記微細孔のうち他の特定の一群βを構成する複数の第二微細孔は、それぞれ、前記領域Ａと重なる空間に一方の開口部を有し、前記基体の外部に臨む領域Ｃに他方の開口部を有しており、前記第二微細孔の孔径φβは、前記第一微細孔の孔径φαより小さいことを特徴とする。
【０００８】
請求項１に係る流体制御デバイスの構成によれば、第一微細孔において流れる流体が受ける抵抗は、第二微細孔において流れる流体が受ける抵抗より小さくなる。したがって、例えば、粘性の異なる複数の流体を混合する場合、粘性が高い方の流体を第一微細孔に流し、粘性が低い方の流体を第二微細孔に流すことにより、異なる流路群同士の間で、流体の流れやすさを均一に近づけることができる。ゆえに、本発明の流体制御デバイスは、粘性の異なる複数の流体を流すために、それぞれの流体に圧力を加えた際に、各流体において発生する圧力損失の差を小さく抑えることができる。
【０００９】
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、前記第二微細孔は、前記領域Ａと重なる空間において、隣接する前記第一微細孔の側面に一方の開口部を有し、該一方の開口部において、該第一微細孔に連通していることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る流体制御デバイスの構成によれば、第二微細孔を流れる流体は、一方の開口部において、第一微細孔を流れる流体と一旦合流する。このとき、合流した流体の流れは、第一微細孔の孔径の範囲に収束するため、各流体が、互いの拡散距離よりも近い距離において流れることにより、流体同士の混合性を高めることができる。
【００１１】
そして、合流した流体は、第一微細孔の一方の開口部において流出し、流路群αに属する他の微細孔の一方の開口部から流出した流体とさらに合流する。このように複数回の合流を行うことにより、流体同士の混合性をさらに高めることができる。
【００１２】
本発明の請求項３に係る流体制御デバイスは、請求項２において、前記第一微細孔に連通する複数の前記第二微細孔の一方の開口部は、該第一微細孔の中心軸に対して対称な位置関係にある。
【００１３】
請求項３に係る流体制御デバイスの構成によれば、第二微細孔から流入する流体は、第一微細孔内を流れる流体に対して、第一微細孔の中心軸に向かって等方的に合流する。したがって、第一微細孔内を流れる流体は、第二微細孔から流入する流体と多方位にわたって合流することができるため、二つの流体を効率よく混合することができる。
【００１４】
本発明の請求項４に係る流体制御デバイスは、請求項１〜３のいずれか一項において、前記領域Ａにおいて、前記第一微細孔の一方の開口部は周期的に配され、隣接する該開口部同士が等間隔に配されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に係る流体制御デバイスの構成によれば、第一微細孔と第二微細孔との連通部において合流した流体は、領域Ａにおいて等間隔で流出するため、流出した流体同士を均一な割合で混合することできる。
【００１６】
本発明の請求項５に係る流体制御デバイスは、請求項１〜４のいずれか一項において、前記第一微細孔同士、前記第二微細孔同士は、それぞれ、互いに等しい長さとなるように配されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項５に係る流体制御デバイスの構成によれば、同じ流路群に属する微細孔同士の長さが等しいため、各微細孔を流れる流体が、微細孔から受ける抵抗を均一にすることができる。したがって、各微細孔において、流体に加える圧力の損失を均一に揃えることができ、各微細孔を流れる流体の流速を均一にすることが出来る。
【００１８】
本発明の請求項６に係る流体制御デバイスは、請求項１〜５のいずれか一項において、前記第二微細孔は、前記第一微細孔より短いことを特徴とする。
【００１９】
請求項６に係る流体制御デバイスの構成によれば、第二微細孔を流れる流体が、第二微細孔の壁面から受ける抵抗を小さくすることができる。これにより、第二微細孔における抵抗を、第二微細孔よりも孔径が大きい第一微細孔における小さな抵抗と釣り合わせることができる。したがって、第一微細孔を流れる流体、第二微細孔を流れる流体に対して、加える圧力の損失を均一、或るいはより均一に揃えることができる。
【００２０】
本発明の請求項７に係る流体制御デバイスは、請求項１〜６のいずれか一項において、前記領域Ａにおいて、全ての微細孔の開口部は二次元的に配されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項７に係る流体制御デバイスの構成によれば、領域Ａにおいて、各流路群に属する微細孔の開口部から流体が均一となり、処理量を大きくさせることができる。
【００２２】
本発明の請求項８に係る流体制御デバイスは、請求項１〜７のいずれか一項において、前記領域Ａにおいて、異なる群に属する微細孔の開口部同士が、最も隣接した位置関係をなしていることを特徴とする。
【００２３】
請求項８に係る流体制御デバイスの構成によれば、それぞれの開口部から混合空間に流出した流体同士の混合効率や反応性を高くすることができ、短時間での混合や混ざりにくい流体同士の混合が可能となる。
【００２４】
本発明の請求項９に係る流体制御デバイスは、請求項１〜８のいずれか一項において、前記孔径φαと、前記孔径φβとの比（φβ／φα）は、０．８以下であることを特徴とする。
【００２５】
請求項９に係る流体制御デバイスの構成によれば、φβ（ｎ）／φα＝１とした場合に比べて、異なる流路群に属する微細孔同士の距離を１割以上短くすることができる。
【００２６】
本発明の請求項１０に係る流体制御デバイスは、請求項１〜９のいずれか一項において、前記領域Ａにおいて、前記第一微細孔の開口部の長径、前記第二微細孔の開口部の長径、および、各開口部間の距離は、いずれもてマイクロ・メーターからナノ・メーターのオーダーであることを特徴とする。
【００２７】
請求項１０に係る流体制御デバイスの構成によれば、微細孔を流れる各流体をマイクロオーダー・ナノオーダーに分割することにより、分割された流体同士をより近づけることができるため、高い効率で混合を行うことができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の流体制御デバイスにおいては、第一微細孔において流れる流体が受ける抵抗が、第二微細孔において流れる流体が受ける抵抗より小さくなるように構成されている。したがって、例えば、粘性の異なる複数の流体を混合する場合、粘性が高い方の流体を第一微細孔に流し、粘性が低い方の流体を第二微細孔に流すことにより、異なる流路群同士の間で、流体の流れやすさを均一に近づけることができる。ゆえに、本発明の流体制御デバイスは、粘性の異なる複数の流体を流すために、それぞれの流体に圧力を加えた際に、各流体において発生する圧力損失の差を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】（ａ）第一実施形態に係る流体制御デバイスの斜視図である。（ｂ）（ａ）の流体制御デバイスをＸ１−Ｘ１線において切断した際の断面図である。（ｃ）（ａ）の流体制御デバイスをＹ１−Ｙ１線において切断した際の断面図である。（ｄ）（ｃ）に示した流体制御デバイスの断面の一部を拡大した図である。
【図２】第一実施形態の変形例１−１に係る流体制御デバイスの斜視図である。
【図３】（ａ）第一実施形態の変形例１−２に係る流体混合器の断面図である。（ｂ）第一実施形態の変形例１−２に係る流体制御デバイスの斜視図である。（ｃ）（ｂ）の流体制御デバイスをＸ１−Ｘ１線において切断した際の断面図である。
【図４】第一実施形態の変形例１−２に係る、分解した流体混合器の断面図である。
【図５】（ａ）第一実施形態の実施例１−１に係る流体混合器を備えたμＴＡＳチップの平面図である。（ｂ）（ａ）の流体混合器を構成する流体制御デバイスの拡大平面図である。（ｃ）（ａ）の流体混合器を構成する流体制御デバイスの拡大断面図である。
【図６】第二実施形態に係る流体制御デバイスの斜視図である。
【図７】（ａ）第二実施形態に係る流体制御デバイスを構成する微細孔のうち、特定の一群αを構成する流路群の斜視図である（ｂ）第二実施形態に係る流体制御デバイスを構成する微細孔のうち、他の特定の一群βを構成する流路群の斜視図である。
【図８】第二実施形態に係る流体制御デバイスの上面の構成を拡大して示した図である。
【図９】第二実施形態の実施例２−１に係る流体混合器の断面図である。
【図１０】従来の流体制御デバイスの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
【００３１】
＜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（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図１（ａ）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、単一の基体１０１と、基体１０１内に配された複数の微細孔と、を少なくとも備えている。複数の微細孔のうち一部は、特定の一群（流路群）αに属し、複数の微細孔のうち残部は、他の特定の一群βに属している。第一実施形態においては、特定の一群αに属する微細孔、他の特定の一群（流路群）βに属する微細孔を、それぞれ第一微細孔１０２、第二微細孔１０３と呼ぶ。
【００３２】
基体１０１としては、その形状が限定されることはないが、例えば、耐薬品性が高く、加工性に優れたガラスなどにより構成される非結晶性基板、石英やシリコンやサファイアなどにより構成される結晶性基板を用いることができる。なお、基体１０１は大きさが限定されないため、図１（ａ）〜（ｃ）においては、要部が含まれた部分を抜き出して示している。
【００３３】
第一微細孔１０２は、基体の一面（表面）１０１ａのうち、基体１０１の外部に臨む、領域Ａに開口部１０２ｂを有し、領域Ｂに開口部１０２ａを有している。そして、第二微細孔１０３は、領域Ａと重なる空間に開口部１０３ｂを有し、基体１０１の外部に臨む領域Ｃに開口部１０３ａを有している。第二微細孔１０３は、領域Ａと重なる空間における基体１０１の表面の位置に、開口部１０３ｂを有している。すなわち、第一実施形態においては、第二実施形態として後述する連通部Ｄが領域Ａに一致しているものとする。
【００３４】
第一微細孔１０２、第二微細孔１０３は、いずれも、各流体の供給源から、流体同士を混合する空間へ導く誘導空間として機能するものである。すなわち、第一微細孔１０２、第二微細孔１０３は、複数の供給源から各々供給される流体Ｌ１、Ｌ２を、それぞれの一方の開口部１０２ａ、１０３ａから流入させる。そして、流入した流体Ｌ１、Ｌ２を、それぞれ、第一微細孔の他方の開口部１０２ｂ、第二微細孔の他方の開口部１０３ｂから共通する混合空間に流出させて、流体Ｌ１とＬ２とを混合させる。
【００３５】
第一微細孔１０２、第二微細孔１０３は、それぞれ領域Ｂ、領域Ｃから基体１０１の内側を経由して領域Ａに到達するように配されている。基体１０１の内部において、微細孔１０２は、屈曲あるいは湾曲していてもよいし、まっすぐに延びていてもよい。
【００３６】
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した流体制御デバイス１００を、Ｘ１−Ｘ１線を通る面によって、第一微細孔１０２とともに切断した際の断面図である。第一微細孔１０２は、基体の表面（外面）１０１ａにおいて、領域Ａに開口部１０２ｂを有し、領域Ｂに開口部１０２ａを有している。隣り合う位置関係にある第一微細孔１０２同士は、各々の全長にわたって互いに等間隔で離間している。
【００３７】
また、第二微細孔１０３は、図１（ｂ）における第一微細孔１０２と左右反対の断面構造をなしており、図１（ａ）に示すように、基体の表面１０１ａにおいて、領域Ａに開口部１０３ｂを有し、領域Ｃに開口部１０３ａを有している。
【００３８】
なお、図１（ａ）、（ｂ）においては、第一微細孔１０２、第二微細孔１０３が、いずれもＬ字状をなしている例を示しているが、第一微細孔１０２、第二微細孔１０３は、デバイス構造を踏まえて設計された各々の開口部の配置に応じて、自由な形状をなすことができる。
【００３９】
図１（ａ）においては、領域Ａ、Ｂ、Ｃが、それぞれ互いに異なる表面にある場合を例として示したが、各領域は、重なっていなければよく、同一面上に設けられていてもよい。
【００４０】
図１（ｃ）は、図１（ａ）に示した流体制御デバイス１００を、Ｙ１−Ｙ１線を通る面によって、第一微細孔１０２および第二微細孔１０３とともに切断した際の断面図である。領域Ａにおいて、複数の第一微細孔１０２の片方の開口部１０２ｂ、複数の第二微細孔１０３の片方の開口部１０３ｂは、それぞれ直線状の複数の列をなしている。開口部１０２ｂの列と開口部１０３ｂの列とは、平行に互い違いに並んでいる。隣り合う位置関係にある開口部１０２ｂの列と開口部１０３ｂの列とは、互いに等間隔で離間している。
【００４１】
図１（ｄ）は、図１（ｃ）に示した流体制御デバイス１００の断面のうち、第一微細孔１０２の片方の開口部１０２ｂ、及び、第二微細孔１０３の片方の開口部１０３ｂが配された領域の一部Ｒ１を拡大した図である。
【００４２】
領域Ａにおいて、各開口部１０２ｂ、１０３ｂの長径、および、開口部１０２ｂと開口部１０３ｂとの間の距離は、全てマイクロ・メーターからナノ・メーターのオーダーであることが望ましい。
【００４３】
この場合、第一微細孔１０２、第二微細孔１０３を流れる各流体をマイクロオーダー・ナノオーダーに分割することができ、分割された流体同士を高い効率で混合することができる。
【００４４】
第二微細孔１０３の孔径φβは、第一微細孔１０２の孔径φαより小さい。孔径φβの孔径φαに対する比（φβ／φα）は、０．８以下であることが望ましく、０．６以下であれば、さらに望ましい。
【００４５】
比（φβ／φα）が０．８である場合、隣り合う位置関係にある第一微細孔１０２と第二微細孔１０３との間の距離が、比（φβ／φα）が１である場合に比べて１割程度短くなる。比（φβ／φα）が０．６である場合、隣り合う位置関係にある第一微細孔１０２と第二微細孔１０３との間の距離が、比（φβ／φα）が１である場合に比べて２割程度短くなる。
【００４６】
また、孔径φβの孔径φαに対する比（φβ／φα）は、０．３３以上であることが望ましい。比（φβ／φα）が０．３３未満である場合、微細孔１０３における圧力損失が大きくなり過ぎ、十分な処理量を得られない虞がある。
【００４７】
上述した孔径φα、φβの大小関係を満たした上で、孔径φαは１５［μｍ］以上５０［μｍ］以下であることが望ましく、１５［μｍ］以上３０［μｍ］以下がより望ましい。
孔径φαが５０［μｍ］を超える場合、第二微細孔１０３同士の距離が長くなり過ぎるため、第一微細孔１０２、第二微細孔１０３からそれぞれ流出した流体同士の混合性が低下する虞がある。孔径φαが１５［μｍ］未満である場合、孔径φβをさらに小さくする必要があり、第二微細孔１０３における圧力損失が大きくなり過ぎ、十分な処理量が得られない虞がある。
【００４８】
また、上述した孔径φα、φβの大小関係を満たした上で、孔径φβは６［μｍ］以上２４［μｍ］以下であることが望ましく、１０［μｍ］以上２４［μｍ］以下がより望ましい。孔径φβが小さいほど、隣り合う位置関係にある第一微細孔１０２と第二微細孔１０３と距離を小さくすることができる。ただし、孔径φβが６［μｍ］未満である場合、第二微細孔１０３における圧力損失が大きくなり過ぎ、十分な処理量が得られない虞がある。
【００４９】
第一微細孔１０２同士、第二微細孔１０３同士は、それぞれ、互いに等しい長さとなるように配されていることが望ましい。この場合、各微細孔（第一微細孔１０２、第二微細孔１０３）を流れる流体が、それぞれの壁面などから受ける抵抗を均一にすることができるため、流体に加える圧力の損失を、各微細孔に対して均一に揃えることができる。
【００５０】
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、第一微細孔において流れる流体が受ける抵抗が、第二微細孔において流れる流体が受ける抵抗より小さくなるように構成されている。したがって、例えば、粘性の異なる複数の流体を混合する場合、粘性が高い方の流体を第一微細孔に流し、粘性が低い方の流体を第二微細孔に流すことにより、異なる流路群同士の間で、流体の流れやすさを均一に近づけることができる。ゆえに、本発明の流体制御デバイスは、粘性の異なる複数の流体を流すために、それぞれの流体に圧力を加えた際に、各流体において発生する圧力損失の差を小さく抑えることができる。
【００５１】
［変形例１−１］
図２は、第一実施形態の変形例１に係る流体制御デバイス１１０の斜視図である。流体制御デバイス１１０の構成について、図２を用いて説明する。流体制御デバイス１１０は、単一の基体１１１と、基体１１１内に配された複数の微細孔と、を少なくとも備えている。複数の微細孔のうち一部は、特定の一群αに属し、複数の微細孔のうち残部は、他の特定の一群βに属している。変形例１においては、特定の一群αに属する微細孔、他の特定の一群（流路群）βに属する微細孔を、それぞれ第一微細孔１１２、第二微細孔１１３と呼ぶ。
【００５２】
第一微細孔１１２、第二微細孔１１３は、いずれも、各流体の供給源１１４、１１５から、流体同士を混合する空間（不図示）へ導く誘導空間として機能するものである。すなわち、第一微細孔１１２、第二微細孔１１３は、供給源１１４、１１５から各々供給される流体Ｌ１、Ｌ２を、それぞれの一方の開口部１１２ａ、１１３ａから流入させる。そして、流入した流体Ｌ１、Ｌ２を、第一微細孔の他方の開口部１１２ｂ、第二微細孔の他方の開口部１１３ｂから共通する混合空間に流出させて、流体Ｌ１とＬ２とを混合させる。
【００５３】
第一微細孔１１２は、流体Ｌ１の供給源１１４に連通する一方の開口部１１２ａを有し、基体の表面１１１ａにおける領域Ａに他方の開口部１１２ｂを有している。第二微細孔１１３は、流体Ｌ２の供給源１１５に連通する一方の開口部１１３ａを有し、基体の表面１１１ａにおける領域Ａに他方の開口部１１３ｂを有している。図２においては、供給源１１４、１１５が、いずれも基体１１１の内部に配されている例を示しているが、供給源１１４、１１５のうち一方または両方が基体１１１の外部に配されていてもよい。
【００５４】
このような構成により、例えば、第一微細孔の一方の開口部１１２ａ、第二微細孔の一方の開口部１１３ａの孔径を、それぞれ、流体Ｌ１、Ｌ２を構成する粒子の径と同程度の大きさとすることにより、係る粒子よりも大きな異物等を堰き止めることができる。すなわち、変形例１に係る流体制御デバイス１１０はフィルターとしての機能を有している。
【００５５】
［変形例１−２］
図３（ａ）は、第一実施形態の変形例１−２に係る流体混合器１０の断面図である。流体混合器１０は、流体制御デバイス１２０と、流体制御デバイス１２０を内在させた筐体１１とで構成されている。図３（ｂ）は、流体制御デバイス１２０の斜視図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）の流体制御デバイス１２０を、Ｘ２−Ｘ２線において切断した際の断面図である。流体制御デバイス１２０の領域Ｂ、Ｃは、それぞれ、領域Ａが配されている面と反対側の面に配されている。領域Ｂ、Ｃが配されている面以外の構成は、第一実施形態に係る流体制御デバイス１００の構成と同様である。
【００５６】
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、筐体１１の内部には、流体制御デバイス１２０の領域Ａに面する単一の流出空間Ｓａと、流体制御デバイス１２０の領域Ｂ、領域Ｃに、それぞれ面する単一の流入空間Ｓｂ、Ｓｃと、が設けられている。流出空間Ｓａは、連通部１２を介して、筐体１０の外部空間と連通している。また、流入空間Ｓｂ、Ｓｃは、それぞれ連通部１３、１４を介して筐体１０の外部空間と連通している。
【００５７】
このような構成により、微細孔１２２、１２３は、流入空間Ｓｂ、Ｓｃから供給される流体Ｌ１、Ｌ２を、それぞれ、微細孔の一方の開口部１２２ａ、１２３ａから流入させることができる。そして、流入した流体Ｌ１、Ｌ２を、微細孔の他方の開口部１２２ｂ、１２３ｂから共通する流出空間Ｓａに流出させて、流体Ｌ１とＬ２とを混合させることができる。
【００５８】
筐体１１を構成する材料としては、ステンレス等の金属類を用いることができる。流体制御デバイス１２０の領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃの周縁部は、それぞれ、シール部材Ｓを介して筐体１０の内壁との間に接合されていることが望ましい。シール部材Ｓとしては、例えば、Ｏリング等の弾性部材を用いることができる。シール部材Ｓを介することによって、筐体１０の内部における流体制御デバイス１２０の位置ずれ等が起きるのを防ぐことができる。
【００５９】
図３（ａ）に示した流体混合器１０を構成する筐体１１は、二つの部位１１Ａ、１１Ｂからなっており、図４に示すように、流体制御デバイス１２０は、部位１１Ａと１１Ｂとに挟持されるように構成されている。このような構成においては、流体制御デバイスが、筐体から着脱可能となるため、混合する流体の種類、性質に応じて、流体制御デバイスを適宜選択することができる。
【００６０】
［実施例１−１］
図５（ａ）は、第一実施形態の変形例１−３に係る流体混合器１０を備えたμＴＡＳチップ６０の構成例を模式的に示す平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のμＴＡＳチップ６０のデバイス搭載面において、流体混合器１０が配された領域Ｒ２を拡大した平面図である。図５（ｃ）は、図５（ｂ）の領域Ｒ２において、流体混合器１０をＹ２―Ｙ２線において切断した際の断面を拡大した図である。
【００６１】
μＴＡＳチップ６０は、μＴＡＳチップ６０本体として機能する基体２０と、この基体２０と一体をなすように設けられた流体混合器１０と、を少なくとも備えている。図５（ａ）〜（ｃ）に示したμＴＡＳチップ６０は、さらに、流体混合器１０を構成する流路の下流側に、リアクタ３０、セパレータ４０、検出器５０を備えている。ただし、上述したように、図５（ａ）〜（ｃ）に示したμＴＡＳチップ６０の構成は一例であって、用途に応じて他の構成をなすことも可能である。例えば、リアクタ３０、セパレータ４０、検出器５０が、μＴＡＳチップ６０と別体をなしていてもよい。
【００６２】
図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、分析対象の各流体と選択されたキャリアとは、流体混合器１０を構成する流入空間Ｓｂ、Ｓｃ、フィルター部Ｆ、および所定の微細孔（流路）を経由した後に、共通の流出空間Ｓａにおいて混合される。混合された流体はリアクタ３０に移動し、そこで反応した流体のサンプルは、セパレータ４０において必要に応じてキャリアと分離され、所望の分析情報が検出器５０を介して外部機器等へ取り出される。
【００６３】
［流体制御デバイスの製造方法］
第一実施形態に係る流体制御デバイス１００、１１０、１２０の製造方法として、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。
【００６４】
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超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流体制御デバイスを得ることができる。
【００６５】
＜第二実施形態＞
［流体制御デバイスの構成］
本発明の第二実施形態に係る流体制御デバイス２００の構成について、図６〜８を用いて説明する。図６は、流体制御デバイス２００の斜視図である。流体制御デバイス２００は、流体を混ぜるためのデバイスであって、単一の基体２０１と、基体２０１内に配された複数の微細孔と、を少なくとも備えている。複数の微細孔のうち一部は、特定の一群（流路群）αに属し、複数の微細孔のうち残部は、他の特定の一群βに属している。第二実施形態においては、特定の一群αに属する微細孔、他の特定の一群（流路群）βに属する微細孔を、それぞれ第一微細孔２０２、第二微細孔２０３と呼ぶ。
【００６６】
基体２０１としては、第一実施形態の基体１０１と同じ材料からなるものを用いることができる。図７（ａ）は、複数の第一微細孔２０２の斜視図である。図７（ａ）においては、第一微細孔２０２の構成が明瞭となるように、第一微細孔２０２のみを取り出して示している。第一微細孔２０２は、基体２０１の内部において、屈曲あるいは湾曲していてもよいし、まっすぐに延びていてもよい。
【００６７】
第一微細孔２０２は、基体の表面（外面）２０１ａにおける領域Ａに一方の開口部１０２ａを有し、領域Ｂに他方の開口部を有している。第一微細孔２０２は、少なくとも基体の一面２０１ａにおいて内側に、一面２０１ａと略垂直な方向に延びる形状をなしている。領域Ａにおいて、微細孔の一方の開口部２０２ａは周期的に配されており、特に隣接する開口部２０２ａ同士は等間隔に配されている。隣接する第一微細孔２０２同士は、その全長にわたって、互いに等間隔に配されていることが望ましい。
【００６８】
第一微細孔２０２同士は、互いに等しい長さとなるように配されていることが望ましい。この場合、第一微細孔２０２同士の長さが等しいため、各微細孔を流れる流体が、微細孔２０２から受ける抵抗を均一にすることができる。したがって、各微細孔において、流体に加える圧力の損失を均一に揃えることができる。
【００６９】
領域Ｂは、異なる複数の領域からなっていてもよい。この場合、第一微細孔の他方の開口部２０２ａを、基体の表面２０１ａの複数の位置に設けることができる。したがって、他のデバイスとの位置関係など、流体制御デバイス２００の外部構造に合わせた位置に設けることができるため、流体制御デバイス２００に関する設計の自由度を向上させることができる。また、他方の開口部が供給路と接する位置に選択的に設けられることにより、微細孔と供給手段とを、連結路などを介することなく、直接連結することができる。
【００７０】
第二微細孔２０３は、領域Ａと重なる空間に一方の開口部２０３ａを有し、基体２０１の一面のうち外部に臨む領域Ｃに、他方の開口部を有している。第二微細孔２０３は、領域Ａと重なる空間における基体の内部に、一方の開口部２０３ａを有している。より具体的には、複数の第二微細孔２０３が、基体２０１の内部の第一微細孔２０２に連通し、第一微細孔２０２の側面に一方の開口部２０３ａを有している。隣接する第二微細孔１０３同士は、その全長にわたって、互いに等間隔に配されていることが望ましい。
【００７１】
第一微細孔２０２に連通する複数の第二微細孔の一方の開口部２０３ａは、第一微細孔２０２の中心軸に対して対称な位置関係にある。これにより、第二微細孔２０３から流入する流体Ｌ２は、第一微細孔２０２内を流れる流体Ｌ１に対して、第一微細孔２０２の中心軸に向かって等方的に合流する。したがって、第一微細孔２０２内を流れる流体Ｌ１は、第二微細孔２０３から流入する流体Ｌ２と多方位にわたって合流することができるため、二つの流体Ｌ１、Ｌ２を効率よく混合することができる。
【００７２】
図７（ｂ）は、複数の第二微細孔２０３の斜視図である。第二微細孔２０３は、領域Ｃから基体２０１の内側に向けて延び、領域Ａの近傍において、隣接する微細孔１０２が配された複数の方向（ここでは、四方向）に広がる形状をなしている。隣接する微細孔１０３同士は、その全長にわたって、互いに等間隔に配されていることが望ましい。
【００７３】
流路群βに属する微細孔２０３同士は、互いに等しい長さとなるように配されていることが望ましい。この場合、流路群βに属する微細孔２０３同士の長さが等しいため、各微細孔を流れる流体が、微細孔２０３から受ける抵抗を均一にすることができる。したがって、各微細孔において、流体に加える圧力の損失を均一に揃えることができる。
【００７４】
図８は図６の流体制御デバイス２００の上面のうち、領域Ａの構成を拡大して示した図である。第一微細孔の一方の開口部２０２ａは、全て同一格子上の各格子点に配されている。一方、第二微細孔の一方の開口部２０３ａも、全て同一格子上の各格子点に配されている。そして、流路群αに属する微細孔２０２と、第二微細孔２０３とは、各々の長さ方向と垂直な面内において、千鳥格子を構成するように、すなわち、互いに違いに最も隣接した位置をなすように配されている。
【００７５】
したがって、従来構造のように、全ての微細孔が格子状に配されている場合に比べて、各微細孔内に流体Ｌ１、Ｌ２を閉じ込めることで、拡散距離の広がりをより抑制させた状態で混合させることが出来るため、微細孔を流れる流体の混合性を維持しつつ、流路数をさらに増加させ、処理量を増加させることが可能となる。
【００７６】
第二微細孔２０３の孔径は、第一微細孔２０２の孔径より小さいことが望ましい。この場合、第二微細孔２０３の孔径が小さい分、第一微細孔２０２同士をより密に配することができる。したがって、流体制御デバイス２００を小型化することができ、設計の自由度を向上させることができる。また、流体Ｌ１、Ｌ２の拡散距離をより短くすることが出来るために、混合性の向上が期待される。さらに、微細孔２０２、２０３の数を増加させることが可能となるため、処理量を増加させることができる。
【００７７】
第二微細孔２０３は、第一微細孔２０２より短いことが望ましい。この場合、βに属する微細孔を流れる流体が、その微細孔から受ける抵抗を低くすることができる。これにより、第二微細孔による抵抗を、第二微細孔よりも孔径が大きく、第一微細孔による小さな抵抗と釣り合わせることができる。したがって、第一微細孔を流れる流体、第二微細孔を流れる流体に対して、加える圧力の損失を均一に揃えることができる。
【００７８】
以上説明したように、本実施形態に係る流体制御デバイス２００においては、流路群βに属する微細孔２０３を流れる流体が、微細孔の一方の開口部２０３ａにおいて、第一微細孔２０２を流れる流体と一旦合流する。このとき、合流した各流体の流れは、微細孔２０２、２０３の孔径の範囲に収束するため、各流体が、互いの拡散距離よりも近い距離において流れることにより、流体同士の混合性を高めることができる。
【００７９】
そして、合流した流体Ｌ３は、第一微細孔の一方の開口部２０２ａにおいて流出し、流路群αに属する他の第一微細孔の一方の開口部から流出した流体とさらに合流する。このように複数回の合流を行うことにより、流体同士の混合性をさらに高めることができる。
【００８０】
第二実施形態においては、二つの流路群α、βを備えた流体制御デバイスを一例として示したが、流路群の数が制限されることはなく、三つ以上の流路群を備えた場合であっても、上述した効果を得ることができる。
【００８１】
［実施例２−１］
第二実施形態の実施例２−１に係る流体混合器２１０の構成について、図９を用いて説明する。図９は、第二実施形態に係る流体制御デバイス２００を備えた流体混合器２１０の断面図である。流体混合器２１０は、上述した流体制御デバイス２００と、これを内在する筐体２０５とで構成されている。筐体２０５の内部には、流体制御デバイス２００を構成する基体の表面のうち、領域Ａに面した混合空間１０４Ａと、領域Ｂ、Ｃに個別に面した導入空間２０４Ｂ、２０４Ｃと、が設けられている。筐体２０５は、ステンレス等の金属類の部材によって構成されている。
【００８２】
導入空間２０４Ｂ、２０４Ｃは、それぞれ連結部２０６Ｂ、２０６Ｃを介して、筐体２０５の外部空間に連結されている。混合空間２０４Ａは、連結部２０６Ａを介して、筐体２０５の外部空間に連結されている。なお、図９における三つの連結部２０６Ａ〜２０６Ｃの配置は一例であって、連結部２０６Ａ〜２０６Ｃは、互いに独立していれば、どの位置に配置されていてもよい。
【００８３】
筐体２０５は一体で構成されているため、外部空間との連結部２０６Ａ〜２０６Ｃ以外の部分から流体が漏れる虞がなく、高い耐圧性能を有している。
【００８４】
上述した流体混合器２１０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混合器２１０の動作について説明する。
【００８５】
この場合、流体Ｌ２、Ｌ２は、それぞれ導入空間２０６Ｂ、２０６Ｃに供給することになる。供給された流体Ｌ１は、分割されて複数の微細孔２０２に流入する。一方、供給された流体Ｌ２は、分割されて複数の微細孔２０３に流入する。微細孔２０２と微細孔２０３との連通部Ｄにおいて、流体Ｌ２は、微細孔２０３の一方の開口部２０３ａから隣接する微細孔２０２に流入し、微細孔２０２を流れていた流体Ｌ１と合流し、互いに混合される。微細孔２０２において一旦混合された流体Ｌ３は、微細孔２０２の一方の開口部２０２ａから混合空間２０４Ａに流出する。そして、他の微細孔２０２において同様に混合され、一方の開口部２０２ａから混合空間２０４Ａに流出した流体Ｌ４とさらに合流し、互いに混合される。
【００８６】
以上説明したように、実施例１に係る流体混合器２００においても、第二微細孔２０３を流れる流体が、微細孔の一方の開口部２０３ａにおいて、第一微細孔２０２を流れる流体と一旦合流する。このとき、合流した流体の流れは、微細孔２０２、２０３の孔径の範囲に収束するため、各流体が、互いの拡散距離よりも近い距離において流れることにより、流体同士の混合性を高めることができる。
【００８７】
そして、合流した流体は、第一微細孔の一方の開口部１０２ａにおいて流出し、他の第一微細孔の一方の開口部から流出した流体とさらに合流する。このように複数回の合流を行うことにより、流体同士の混合性をさらに高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
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】
【００８９】
１００、１１０、１２０、２００、２１０・・・流体制御デバイス、
１０１、１１１、２０、２０１・・・基体、
１０１ａ、１１１ａ、２０１ａ・・・表面（一面）、
１０２、１１２、１２２、２０２・・・第一微細孔、
１０３、１１３、１２３、２０３・・・第二微細孔、
１０２ａ、１１２ａ、１０３ａ、１１３ａ、２０３ａ・・・開口部、
１０２ｂ、１１２ｂ、１０３ｂ、１１３ｂ、２０３ｂ・・・開口部、
１０・・・流体混合器、１１・・・筐体、１１Ａ、１１Ｂ・・・部位、
３０・・・リアクタ、４０・・・セパレータ、５０・・・検出器、６０・・・μＴＡＳ、
Ｌ１、Ｌ２・・・流体、Ｒ１、Ｒ２・・・領域、
Ｓ・・・シール部材、Ｓａ・・・流出空間、Ｓｂ、Ｓｃ・・・流入空間。
【図１】
2015044143.tif 000003
【図２】
2015044143.tif 000004
【図３】
2015044143.tif 000005
【図４】
2015044143.tif 000006
【図５】
2015044143.tif 000007
【図６】
2015044143.tif 000008
【図７】
2015044143.tif 000009
【図８】
2015044143.tif 000010
【図９】
2015044143.tif 000011
【図１０】
2015044143.tif 000012