(57)【要約】【課題】分岐のある流路の液体の流れを自由に制御することはできる流路切替装置を提供する。【解決手段】圧力を発生させるための圧力発生部の抵抗発熱体６〜９を備えた４個の液体を流すための流路１〜４と、前記４個の流路１〜４と接続し、圧力を発生させるための抵抗発熱体２１を備えた分岐室２０とを有し、前記流路を切替へて液体を流すための流路切替装置であって、前記４個の流路から選択された３個の流路１〜３の抵抗発熱体６〜８を同時に駆動させる手段と、前記３個の流路の圧力発生部を駆動させた、一定時間後に、前記分岐室２０の抵抗発熱体２１を駆動させる手段と、前記分岐室の圧力発生部を駆動させた、一定時間後に、残りの１個の前記流路４の圧力発生部９を駆動する手段とを有する流路切替装置。【選択図】　　　　図１
2004100604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力を発生させるための圧力発生部を備えたｑ（ｑ＞２）個の液体を流すための流路と、前記ｑ（ｑ＞２）個の流路と接続し、圧力を発生させるための圧力発生部を備えた分岐室とを有し、前記流路を切替へて液体を流すための流路切替方法であって、前記ｑ（ｑ＞２）個の流路から選択されたｍ（ｑ＞ｍ）個の流路の圧力発生部を同時に駆動させるる工程と、前記ｍ（ｑ＞ｍ）個の流路の圧力発生部を駆動させた、一定時間後に、前記分岐室の圧力発生部を駆動させる工程と、前記分岐室の圧力発生部を駆動させた、一定時間後に、残りの（ｑ−ｍ）個の前記流路の圧力発生部を駆動する工程とを有することを特徴とする流路切替方法。
【請求項２】
前記圧力発生部は、気泡を発生させる発熱体であることを特徴とする請求項１記載の流路切替方法。
【請求項３】
前記ｑ（ｑ＞２）個の流路から選択されたｍ（ｑ＞ｍ）個の流路の圧力発生部を同時に発泡させる工程と、前記ｍ（ｑ＞ｍ）個の流路の圧力発生部を発泡させた、Δｔ（ｔ１　＜Δｔ＜ｔ２　：ｔ１　＝気泡が成長する時間、ｔ２　＝気泡が収縮する時間）秒後に、前記分岐室の圧力発生部を発泡させる工程と、前記分岐室の圧力発生部を発泡させた、前記Δｔ秒後に、残りの（ｑ−ｍ）個の前記流路の圧力発生部を発泡させる工程とを有することを特徴とする請求項１または２記載の流路切替方法。
【請求項４】
圧力を発生させるための圧力発生部を備えたｑ（ｑ＞２）個の液体を流すための流路と、前記ｑ（ｑ＞２）個の流路と接続し、圧力を発生させるための圧力発生部を備えた分岐室とを有し、前記流路を切替へて液体を流すための流路切替装置であって、前記ｑ（ｑ＞２）個の流路から選択されたｍ（ｑ＞ｍ）個の流路の圧力発生部を同時に駆動させる手段と、前記ｍ（ｑ＞ｍ）個の流路の圧力発生部を駆動させた、一定時間後に、前記分岐室の圧力発生部を駆動させる手段と、前記分岐室の圧力発生部を駆動させた、一定時間後に、残りの（ｑ−ｍ）個の前記流路の圧力発生部を駆動する手段とを有することを特徴とする流路切替装置。
【請求項５】
前記圧力発生部は、気泡を発生させる発熱体であることを特徴とする請求項４記載の流路切替装置。
【請求項６】
前記ｑ（ｑ＞２）個の流路から選択されたｍ（ｑ＞ｍ）個の流路の圧力発生部を同時に発泡させる手段と、前記ｍ（ｑ＞ｍ）個の流路の圧力発生部を発泡させた、Δｔ（ｔ１　＜Δｔ＜ｔ２　：ｔ１　＝気泡が成長する時間、ｔ２　＝気泡が収縮する時間）秒後に、前記分岐室の圧力発生部を発泡させる手段と、前記分岐室の圧力発生部を発泡させた、前記Δｔ秒後に、残りの（ｑ−ｍ）個の前記流路の圧力発生部を発泡させる手段とを有することを特徴とする請求項４または５記載の流路切替装置。
【請求項７】
前記分岐室と該分岐室間を接続する前記流路とを複数有し、前記流路は網目状に配置されていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかの項に記載の流路切替装置。
【請求項８】
各分岐室の周囲に４個の流路が配列し、各流路の周囲に２個の分岐室が配列した状態で、複数個の分岐室と流路とが網目状に配置されている請求項７記載の流路切替装置。
【請求項９】
前記圧力発生部は、発泡する側の流体と流路中の流体とを分離するための膜を備えていることを特徴とする請求項４乃至８のいずれかの項に記載の流路切替装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流路を切替へて液体を流すための流路切替方法および流路切替装置に関し、例えば、化学分析装置や医療装置、バイオテクノロジー、及び、インクジェットプリントシステム等、微量な液体の操作が必要な分野に係る流路切替方法および流路切替装置に関する。特に、チップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システム（μＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ　Ｔｏｔａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｓｙｓｔｅｍ）や、インクジェットプリンタのインク供給システム等に利用される超小型ポンプ（マイクロポンプ）に係る流路切替方法および流路切替装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の液体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｔｏｔａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂ　ｏｎ　ａ　Ｃｈｉｐと呼ばれている。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。
【０００３】
溶液を混合して反応を行った後、定量及び分析をしてから分離するという一連の生化学実験操作をいくつかのセルの組み合わせによって実現可能なマイクロリアクタが開示されている（特許文献１参照。）。図９にマイクロリアクタ５０１の概念を模式的に示す。マイクロリアクタ５０１は、シリコン基板上に平板で密閉された独立した反応チャンバを有している。このリアクタは、リザーバセル５０２、混合セル５０３、反応セル５０４、検出セル５０５、分離セル５０６が組み合わされている。このリアクタを基板上に多数個形成することにより、多数の生化学反応を同時に並列的に行うことができる。さらに、単なる分析だけでなく、タンパク質合成などの物質合成反応もセル上で行うことができる。
【０００４】
また、マイクロバルブ及びマイクロポンプとして、ダイアフラムを用いたバルブとそのバルブと圧電素子を利用したマイクロポンプが提案されている（特許文献２参照。）。
また、可動部材（片持ち梁）の弁を利用したインクジェット用のヘッドが提案されている（特許文献３参照。）。
【０００５】
また、液体の加熱によって発生する泡とノズル型拡散素子による液体制御機能を利用したバルブのないマイクロポンプが提案されている（非特許文献１参照。）。
また、磁界と電流の相互作用を利用したアクチュエータを利用した光スイッチが提案されている（非特許文献２参照。）。
また、Ｊｉｎ　Ｑｉｕらは機械的双安定性がリレーやバルブに有用であることに言及している（非特許文献３参照。）。
また、Ｔｈｏｍａｓ　Ｋ．Ｊｕｎらは時間をずらした発泡を利用したマイクロポンプを提案している（非特許文献４参照。）。
また、可動分離膜を備えた発泡を利用したインクジェットヘッドが提案されている（特許文献４参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−３３７１７３号公報（第２−５頁、第１図）
【０００７】
【特許文献２】
特開平５−１６６９号公報（第２−５頁、第３図、第７図）
【０００８】
【特許文献３】
特開２００１−１３８５１７号公報（第２−１３頁、第１図）
【０００９】
【特許文献４】
特開平１０−３３７８７０号公報（第２−１４頁、第５図、第６図）
【００１０】
【非特許文献１】
ジェイアール　ハング　タサキ及びライウエイ　リン（Ｊｒ−Ｈｕｎｇ　Ｔａｓａｉ　ａｎｄ　Ｌｉｗｅｉ　Ｌｉｎ）著，「ア　サーマル　バブル　アクチュエイテッド　マイクロ　ノズル　ディフュザー　ポンプ（Ａ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｂｕｂｂｌｅ　Ａｃｔｕａｔｅｄ　Ｍｉｃｒｏ　Ｎｏｚｚｌｅ−Ｄｉｆｆｕｓｅｒ　Ｐｕｍｐ）」，プロシーディングス　オブ　ザ　フォーティーンス（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　１４ｔｈ），アイトリプルイー　インターナショナル　コンファレンス　オン　マイクロ　エレクトロ　メカニカル　システムズ（ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ），２００１年，ｐ．４０９−４１２）
【００１１】
【非特許文献２】
ジョング　ソー　コー（Ｊｏｎｇ　Ｓｏｏ　Ｋｏ）ら著，「アプライド　フィジックス　レター（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）」，第８１巻，Ｎｏ．３，２００２年７月１５日，ｐ．５４７−５４９
【００１２】
【非特許文献３】
ジン　キウ（Ｊｉｎ　Ｑｉｕ）ら著，「プロシーディングス　オブ　メムス（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＭＥＭＳ）」，２００１年，ｐ．３５３−３５６
【００１３】
【非特許文献４】
トーマス　ケイ　ジュン（Ｔｈｏｍａｓ　Ｋ．Ｊｕｎ）ら著，「アイトリプルイー　ソリッドステート　センサー　アンド　アクチュアテッド　ワークショップ（ＩＥＥＥ　Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｅｄ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ）」，ヒルトン　ヘッド　アイランド　エスシー（Ｈｉｌｔｏｎ　Ｈｅａｄ　Ｉｓｌａｎｄ，ＳＣ），１９９６年，ｐ．１４４−１４７
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のマイクロポンプでは、分岐のある流路の流れを自由に制御することが難しかった。
本発明は、この様な従来技術に鑑みてなされたものであり、分岐のある流路の液体の流れを自由に制御することはできる流路切替方法および流路切替装置を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、気泡発生手段を備えたｑ（ｑ＞２）個の流路と、該流路を接続した気泡発生手段を備えた分岐室を有することにより、分岐のある流路の流れを自由に制御することができる流路切替方法および流路切替装置を提供するものである。
【００１６】
また、本発明は、前期ｑ個の流路からｍ個の流路を選択して発泡させた後、前期分岐室を発泡させ、その後、前期残りの（ｑ−ｍ）個の流路を発泡させることにより、分岐のある流路の流れを自由に制御することができる流路切替方法および流路切替装置を提供するものである。
【００１７】
即ち、本発明の第一の発明は、圧力を発生させるための圧力発生部を備えたｑ（ｑ＞２）個の液体を流すための流路と、前記ｑ（ｑ＞２）個の流路と接続し、圧力を発生させるための圧力発生部を備えた分岐室とを有し、前記流路を切替へて液体を流すための流路切替方法であって、前記ｑ（ｑ＞２）個の流路から選択されたｍ（ｑ＞ｍ）個の流路の圧力発生部を同時に駆動させるる工程と、前記ｍ（ｑ＞ｍ）個の流路の圧力発生部を駆動させた、一定時間後に、前記分岐室の圧力発生部を駆動させる工程と、前記分岐室の圧力発生部を駆動させた、一定時間後に、残りの（ｑ−ｍ）個の前記流路の圧力発生部を駆動する工程とを有することを特徴とする流路切替方法である。
【００１８】
本発明の第二の発明は、圧力を発生させるための圧力発生部を備えたｑ（ｑ＞２）個の液体を流すための流路と、前記ｑ（ｑ＞２）個の流路と接続し、圧力を発生させるための圧力発生部を備えた分岐室とを有し、前記流路を切替へて液体を流すための流路切替装置であって、前記ｑ（ｑ＞２）個の流路から選択されたｍ（ｑ＞ｍ）個の流路の圧力発生部を同時に駆動させる手段と、前記ｍ（ｑ＞ｍ）個の流路の圧力発生部を駆動させた、一定時間後に、前記分岐室の圧力発生部を駆動させる手段と、前記分岐室の圧力発生部を駆動させた、一定時間後に、残りの（ｑ−ｍ）個の前記流路の圧力発生部を駆動する手段とを有することを特徴とする流路切替装置である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
上記の本発明の流路切替方法および流路切替装置において、好ましくは下記の構成が挙げられる。
前記圧力発生部は、気泡を発生させる発熱体であることが好ましい。
【００２０】
前記ｑ（ｑ＞２）個の流路から選択されたｍ（ｑ＞ｍ）個の流路の圧力発生部を同時に発泡させる手段と、前記ｍ（ｑ＞ｍ）個の流路の圧力発生部を発泡させた、Δｔ（ｔ１　＜Δｔ＜ｔ２　：ｔ１　＝気泡が成長する時間、ｔ２　＝気泡が収縮する時間）秒後に、前記分岐室の圧力発生部を発泡させる手段と、前記分岐室の圧力発生部を発泡させた、前記Δｔ秒後に、残りの（ｑ−ｍ）個の前記流路の圧力発生部を発泡させる手段とを有することが好ましい。
【００２１】
前記分岐室と該分岐室間を接続する前記流路とを複数有し、前記流路は網目状に配置されていることが好ましい。
各分岐室の周囲に４個の流路が配列し、各流路の周囲に２個の分岐室が配列した状態で、複数個の分岐室と流路とが網目状に配置されていることが好ましい。前記圧力発生部は、発泡する側の流体と流路中の流体とを分離するための膜を備えていることが好ましい。
【００２２】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明の実施形態を具体的に説明する。
【００２３】
（第ｌの実施形態）
図１は本発明の流路切替装置の第ｌの実施形態の特徴を示す説明図である。図中、６〜９，２１は圧力発生部の気泡発生手段であるところの抵抗発熱体、１〜４は該気泡発生手段を備えた流路、２０は該流路を接続した気泡発生手段を備えた分岐室である。すなわち、本実施形態は、流路の数をｑ＝４として、気泡発生手段を備えたｑ（ｑ＞２）個の流路１〜４と、該流路を接続した気泡発生手段を備えた分岐室２０を有する流路切替装置である。
【００２４】
また、１０〜１２は４個の前記流路から３個の流路６〜８を選択して発泡させたときの気泡を示し、２２は前記発泡後、適当な時間Δｔをおいて分岐室を発泡させた気泡を示す。すなわち、本実施形態は、ｑ＝４、ｍ＝３として、前期ｑ個の流路からｍ個の流路を選択して発泡させた後、前記分岐室を発泡させ、その後、前記残りの（ｑ−ｍ）個の流路を発泡させる流路切替装置であり、はじめに発泡を行った前記選択流路をＡ流路、分岐室での発泡後に発泡させた前記非選択流路をＢ流路とするとき、Ａ流路とＢ流路の組み合わせを適当に選択することにより、前記分岐室から流路Ｂに向かう実質的な流れ２５を形成できる効果がある。図２は本発明の流路切替装置の第ｌの実施形態の動作を説明する説明図である。同図２（ａ）に示したように、時刻ｔ＝０において、まず、上述Ａ流路１〜３を発泡させた後、同図２（ｂ）に示すように、時刻ｔ＝Δｔにおいて、分岐室２０を発泡させ、その後、同図２（ｃ）に示したように、時刻ｔ＝２Δｔにおいて、上述Ｂ流路４を発泡させることにより、分岐室２０から流路Ｂ（４）への実質的な液体の流れを形成できる。
【００２５】
図３は本発明の流路切替装置の第ｌの実施形態の具体的な構成を示す断面図である。３１は厚さ０．６７ｍｍのＳｉ基板であり、３２は厚さ２．７μｍのＳｉ熱酸化膜（ＳｉＯ２　）であり、抵抗発熱体７、９、２１は厚さ０．０５μｍのＴａＮ薄膜抵抗であり、３４は厚さ０．３μｍのＳｉＮ絶縁層であり、３５は厚さ０．２μｍの耐キャビテーション膜であるところのＴａ薄膜であり、３３は厚さ０．７μｍのＡｌ電極であり、３６はフォトリソ工程で作成した樹脂層であるところの流路構成部材である。
【００２６】
また、抵抗発熱体のサイズは２５μｍ×２５μｍであり、抵抗値は５３Ωであり、流路の高さは２０μｍ、流路の幅４０μｍであり、
８Ｖ，１μｓの矩形パルスにより、印加後約０．８μｓ後に発泡して約１００気圧の発泡圧力を発生する。発生した気泡は発泡後、約５μｓ間膨張し、約１０μｓ後に消泡する。いま、気泡が成長する時間をｔ１　、気泡が収縮する時間をｔ２　とすると、本実施形態は上述Δｔを０．１ｔ１　＜Δｔ＜１ｔ１　として、例えばΔｔ＝１μｓとした。すなわち、本実施形態では前記流路Ａ（１〜３）の発泡後、前記流路Ａの気泡が成長している時間内に分岐室２０の発泡を行い、該発泡後、前記分岐室の気泡が成長している時間内に前記流路Ｂ４の発泡を行うものである。
【００２７】
また、本実施形態では、圧力発生部（圧力発生手段）として気泡発泡手段を用い、更に、気泡発生手段として抵抗発熱体を用いた。すなわち、抵抗発熱体を用いて液体を加熱し気泡を発生させ、液体を押すための高い圧力を発生させた。しかし、本発明は、これに限られるものではなく、圧力発生手段として、圧電素子を用いて液体を押すための高い圧力を発生させてもよい。
【００２８】
（第２の実施形態）
図４は本発明の流路切替装置の第２の実施形態の特徴を示す説明図である。図４に示す実施形態は、特に複数の前記分岐室５００と、該分岐室５００間を接続する前記流路４００からなる網目状流路を有することを除いて第１の実施形態と同じである。図４において、５５は前記網目状流路に自在に形成される流れである。
【００２９】
図５は本発明の流路切替装置の第ｌの実施形態の動作を説明する説明図である。図５において、５１〜５３は前記流路Ａの発泡を示し、５４はタイミングをずらして発泡させた分岐室の発泡を示す。図示したように５１〜５４の発泡を所望の経路に沿って順次繰り返し印加することにより、前記網目流路内に自在に所望の流れ５５を形成できる効果がある。
【００３０】
（第３の実施形態）
図６は本発明の流路切替装置の第３の実施形態の特徴を示す説明図である。図図６に示す実施形態は、特に、前記気泡発生手段が可動分離膜６１〜６３を有することを除いて第１の実施形態と同じである。また、同図における５８は分離壁である。
【００３１】
可動分離膜５の材料としては、約３００℃程度の耐熱性があり、耐油、耐溶剤、耐薬品性に優れた弾性を有するものが適している。特に、塗布や蒸着などによる薄膜成膜性が良いものが好ましく、例えば、ポリパラキシリレンやフッ素樹脂膜（ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ等）などが好ましい。ここで、ポリパラキシリレンは、気相蒸着重合法により薄膜成膜する。また、フッ素樹脂は水性塗料の状態でコーティングした後、加熱焼成によって成膜する。
【００３２】
本実施形態では可動分離膜を用いて、発泡する側の流体と流路に流す流体とを分離できるため、流路に流す流体として気体を利用することもできる効果がある。
【００３３】
（第４の実施形態）
図７は本発明の流路切替装置の第４の実施形態の特徴を示す説明図である。図図７に示す実施形態は、特に、ｑ＝３、ｍ＝２の場合であり、３個の流路から２個の流路を選択して気泡させた後、前記分岐室を気泡させ、その後、前記残りの（３−２）個の流路を気泡させることを除いて第１の実施形態と同様である。
【００３４】
（第５の実施形態）
図８は本発明の流路切替装置の第５の実施形態の特徴を示す説明図である。図図８に示す実施形態は、特に、ｑ＝３、ｍ＝１の場合であり、３個の流路から１個の流路を選択して気泡させた後、前記分岐室を気泡させ、その後、前記残りの（３−１）個の流路を気泡させることを除いて第１の実施形態と同様である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明は、気泡発生手段を備えた複数流路と、該流路を接続した気泡発生手段を備えた分岐室の発泡の発泡タイミングをずらすことにより、分岐のある流路の流れを自由に制御することのできる流路切替方法および流路切替装置を提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流路切替装置の第ｌの実施形態の特徴を示す説明図である。
【図２】本発明の流路切替装置の第ｌの実施形態の動作を説明する説明図である。
【図３】本発明の流路切替装置の第ｌの実施形態の具体的な構成を示す断面図である。
【図４】本発明の流路切替装置の第２の実施形態の特徴を示す説明図である。
【図５】本発明の流路切替装置の第ｌの実施形態の動作を説明する説明図である。
【図６】本発明の流路切替装置の第３の実施形態の特徴を示す説明図である。
【図７】本発明の流路切替装置の第４の実施形態の特徴を示す説明図である。
【図８】本発明の流路切替装置の第５の実施形態の特徴を示す説明図である。
【図９】マイクロリアクタを模式的に示す概念図である。
【符号の説明】
１〜４　流路
６，９　抵抗発熱体（気泡発生手段）
１０〜１２　気泡
２０　分岐室
２１　抵抗発熱体（気泡発生手段）
２２　気泡
３１　基板
３２　熱酸化膜
３３　電極
３４　ＳｉＮ絶縁膜
３５　Ｔａ膜
５１〜５４　気泡
５５　自在な流れ
５８　分離壁
６１〜６３　可動分離膜
４００　流路
５００　分岐室
【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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