(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に液体成分および固形成分の混合物を収容あるいは流すことのできる流路溝を有する音響波伝搬部と、
前記音響波伝搬部の上面に設けられた複数の貫通孔を有する第１連結層と、
この第１連結層上に前記流路溝を封止するように設けられた第１封止部と、
前記音響波伝搬部に接続された音響波発生部とを備え、
前記流路溝に所望の定在波を形成させることにより成分を分離する成分分離デバイスであって、
前記第１連結層の弾性率は前記第１封止部の弾性率より小さい成分分離デバイス。
【請求項２】
上面に液体成分および固形成分の混合物を収容あるいは流すことのできる流路溝を有する音響波伝搬部と、
前記音響波伝搬部の上面の前記流路溝の外枠にのみ設けられた第１連結層と、
この第１連結層上に前記流路溝を封止するように設けられた第１封止部と、
前記音響波伝搬部に接続された音響波発生部とを備え、
前記流路溝に所望の定在波を形成させることにより成分を分離する成分分離デバイスであって、
前記第１連結層の弾性率は前記第１封止部の弾性率より小さく、かつ、
前記第１封止部と前記音響波伝搬部との間にはキャビティを設け、このキャビティにより前記音響波発生部を介して前記音響波伝搬部に発生する流路溝の深さ方向のたわみ振動が前記第１封止部と干渉しないようにした成分分離デバイス。
【請求項３】
前記第１連結層は
前記音響波伝搬部と接する面に凹部を有する請求項１または２に記載の成分分離デバイス。
【請求項４】
前記第１連結層は感光性樹脂からなる請求項１から３のいずれか一つに記載の成分分離デバイス。
【請求項５】
前記第１封止部はシリコンまたはガラスからなる請求項１から４のいずれか一つに記載の成分分離デバイス。
【請求項６】
前記音響波伝搬部はシリコンからなる請求項１から５のいずれか一つに記載の成分分離デバイス。
【請求項７】
前記音響波発生部が、
第１電極と、
この第１電極上に設けられた圧電体と、
この圧電体上に設けられた第２電極とからなる請求項１から６のいずれか一つに記載の成分分離デバイス。
【請求項８】
前記音響波発生部は、
前記音響波伝搬部の表面であって、前記流路溝を有する面の対面に設けられた請求項１から７のいずれか一つに記載の成分分離デバイス。
【請求項９】
前記音響波発生部は、
前記音響波伝搬部の表面であって、前記流路溝を有する面の側面に設けられた請求項１から７のいずれか一つに記載の成分分離デバイス。
【請求項１０】
前記第１連結層は、前記音響波伝搬部上であって、少なくとも前記流路溝の外枠に形成された請求項１から９のいずれか一つに記載の成分分離デバイス。
【請求項１１】
検体導入口と、
この検体導入口に接続された輸送部と、
この輸送部と接続された請求項１から１０に記載の成分分離デバイスのいずれか一つと、この成分分離デバイスに接続された反応部と、
この反応部に接続された分析部とを備えた化学分析デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はたとえば血液、乳液などを液体成分と固形成分とに分離するための小型成分分離デバイスと、これを用いて検体の化学分析を行う化学分析デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
次世代の分析技術として注目されているマイクロトータルアナリシスシステム（Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｓｙｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）とは、例えば液体成分と固形成分の混合物である検体を導入し、成分分離デバイスへ輸送してそれぞれの成分に分離し、これらの成分と試薬とを反応させ、その反応情報を読み取り分析する工程を一体化したものなど、μｍスケールの小型化学分析デバイスのことである。
【０００３】
図１３の断面図に示すように、従来の成分分離デバイス１は、音響波伝搬部２と、この音響波伝搬部２の上方を覆う封止部３と、音響波伝搬部２の側面に形成された音響波発生部４とを備えている。
【０００４】
また音響波伝搬部２には、検体を輸送する流路溝５を有している。
【０００５】
そして音響波発生部４は、圧電体素子で形成され、所定の周波数の音響波を流路溝５内に印加している。そして流路溝５内に発生した定在波の節に固形成分を凝集させて種々の成分を分離している。
【０００６】
なお、音響波を利用した分離方法の実施例としては非特許文献１および非特許文献２などが知られている。
【非特許文献１】Ｃａｒｌ  Ｓｉｖｅｒｓｓｏｎ、Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ２００４、ｐｐ３３０−３３２、ｖｏｌ２
【非特許文献２】Ｈｏｌｄｅｎ  Ｌｉ、Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ２００４、ｐｐ１２−１４、ｖｏｌ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来の成分分離デバイス１は、音響波伝搬部２と封止部３とを直接接合、または陽極接合させたりして直に連結させていた。
【０００８】
しかしこのような従来の構成では、各成分の分離制御精度が低下するという問題があった。
【０００９】
それは音響波発生部４で発生させた音響波が封止部３へ拡散して減衰してしまい、流路溝５内で発生させる定在波が弱くなるからである。
【００１０】
よって、固形成分を十分に凝集し分離することができなくなるのであった。
【００１１】
そこで本発明は音響波の減衰を抑制し、成分分離制御の精度を向上させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的を達成するために、本発明の成分分離デバイスは、流路溝を有する音響波伝搬部と、流路溝の上方に設けられた第１連結層と、この第１連結層上に流路溝を覆うように設けられた第１封止部と、音響波伝搬部に接続された音響波発生部とを備え、第１連結層の弾性率は前記第１封止部の弾性率より小さいものとした。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の成分分離デバイスは、成分分離制御の精度を向上させることができる。
【００１４】
それは、音響波伝搬部と第１封止部との間に、第１封止部より弾性率の小さい第１連結層を設けたことにより、音響波伝搬部の内部から外部（第１連結層）への音響波の伝搬抵抗を増大させることができるためである。
【００１５】
これにより音響波が第１封止部へと拡散するのを抑制し、音響波の減衰を低減することができる。そしてその結果、流路溝内の定在波の強度が増し、成分分離制御の精度を向上させることができるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における成分分離デバイスについて説明する。
【００１７】
図１の本実施の形態の成分分離デバイス６は、その要部の分解斜視図に示すように、音響波伝搬部７と、この音響波伝搬部７の上面に設けられた第１連結層８と、この第１連結層８の上面に設けられた第１封止部９と、音響波伝搬部７の側面に設けられた音響波発生部１０とを備えている。そして音響波伝搬部７の上面には流路溝１１を有し、第１連結層８は複数の貫通孔１２が形成された網目構造をしている。そして流路溝１１は第１封止部９で封止されている。
【００１８】
本実施の形態では、音響波伝搬部７はシリコン、第１封止部９はガラスを用い、第１連結層８は第１封止部９より弾性率が小さく（軟らかく）なるよう、感光性樹脂を用いて形成した。
【００１９】
また、図２に示すように、音響波発生部１０は、音響波伝搬部（図１の７）に接する順に、チタンおよび白金で形成した第１電極１３、チタン酸ジルコン酸鉛で形成した圧電体１４、チタンおよび金で形成した第２電極１５で構成されている。
【００２０】
また、流路溝１１は液体成分および固形成分の混合物を収容あるいは流すことができるよう、所定の幅と深さを有している。この流路溝１１の幅は流路溝１１に所望の定在波を形成できるように設計する。
【００２１】
たとえば、流路溝１１の幅をＷ、流路溝１１に導入する液体成分および固形成分の混合物のうち、前記液体成分における音速をｖとすると
ｆ＝（ｎ／２）×ｖ／Ｗ  （ｎは自然数）
を満たす周波数ｆの音響波が流路溝１１に照射されると、流路溝１１内に定在波（図４の２０）が発生する。
【００２２】
本実施の形態における成分分離デバイス６は、シリコンからなる音響波伝搬部７の上面に流路溝１１を形成し、その後感光性樹脂をパターニングして第１連結層８を形成し、この第１連結層８の上面に第１封止部９を配置することによって製造したものである。
【００２３】
次に、本実施の形態における成分分離デバイス６の動作方法を説明する。
【００２４】
図３は本実施の形態における成分分離デバイス６の駆動状態を示す断面模式図、図４は流路溝１１内部における固形成分１６の凝集状態を示す断面模式図、図５は流路溝１１の上面図である。
【００２５】
まず、図３に示すように液体成分１７と固形成分１６の混合物を流路溝１１に導入する。そして、音響波発生部１０に周波数ｆの駆動電圧を印加すると振動１８を発生する。振動１８は音響波伝搬部７を伝搬し流路溝１１の側壁へ音響波１９として伝搬する。
【００２６】
さらに図４に示すように、伝搬した音響波１９は流路溝１１内に定在波２０を発生させる。この定在波２０により、固形成分１６は定在波２０の節２１に向かう方向へ力を受け、節２１に固形成分１６を凝集させることができる。
【００２７】
そして図５に示すように、流路溝１１内部において混合物を液体成分１７と固形成分１６とに分離させ、液体成分１７の流れと固形成分１６の流れを流路溝１１の分岐などで分けると、液体成分１７と固形成分１６をそれぞれ抽出することができる。
【００２８】
本実施の形態における効果を以下に説明する。
【００２９】
まず、上記構成では、成分分離制御の精度を向上させることができる。その理由を以下に詳述する。
【００３０】
すなわち、従来のような音響波伝搬部７と第１封止部９とを直接接合させる構成では、音響波発生部１０で発生させた音響波は、音響波伝搬部７から第１封止部９へと容易に伝搬し減衰してしまい、流路溝１１内部の定在波の強度を弱化させ、その結果成分分離デバイス６における成分の分離性能を低下させていた。
【００３１】
一方、本実施の形態は、音響波伝搬部７と第１封止部９との間に、第１連結層８を設け、この第１連結層８として感光性樹脂を用いることによって、ガラスからなる第１封止部９より弾性率を小さくしている。
【００３２】
したがって、弾性率の大きいシリコンで形成された音響波伝搬部７と第１連結層８との音響インピーダンスは大きく乖離し、音響波の伝搬抵抗が増大するため、音響波が音響波伝搬部７から第１連結層８および第１封止部９へと拡散するのを抑制することができる。
【００３３】
さらに、第１連結層８には複数の貫通孔１２を形成しており、音響波伝搬部７と第１封止部９との間には空気を介在させている。したがって、この空気の介在によって音響波の伝搬抵抗はさらに大きくなる。
【００３４】
よって、上述のように、音響波の拡散による減衰を効果的に抑制することができる。そしてその結果、音響波による振動を高効率で流路溝１１側壁へ伝搬することができ、流路溝１１内部の定在波の強度を強化し、成分分離制御の精度を向上させることができるのである。
【００３５】
また音響波発生部１０が小型、もしくは与えるエネルギーが小さくても、強度の大きな定在波を発生させることが可能となるため、デバイスの小型化、省エネルギー化に有効である。
【００３６】
また、本実施の形態では第１連結層８を音響波伝搬部７の上面全体に形成することができ、接着面積を十分とることができるため、封止の信頼性を向上させることができる。
【００３７】
さらに、音響波伝搬部７にシリコンを用いることで、流路溝１１を形成する際、高精度な加工を容易に行うことができる。
【００３８】
また、音響波発生部１０は第１電極１３と圧電体１４と第２電極１５で構成されており、容易に音響波を発生できるだけでなく、任意の位置に形成することが可能である。さらに、第１連結層８に感光性樹脂を用いることで、フォトリソグラフィー法を使用し、容易に高精度で任意の形状のパターンを形成することが可能となる。
【００３９】
なお、本実施の形態では第１連結層８を感光性樹脂により形成したが、他の例として音響波伝搬部７もしくは第１封止部９に、凹部もしくは凸部を形成しても同様の効果が得られる。
【００４０】
なお、本実施の形態ではまた第１連結層８として感光性樹脂を用いたが、シリコンで形成してもよい。シリコンで形成する場合、本実施の形態のように、貫通孔１２を設けて網目構造とするなど、音響波伝搬部７と第１封止部９との間にキャビティを形成し、空気の介在によって音響波が伝搬する抵抗を高める構造とすることが望ましい。また、第１連結層８として感光性樹脂を用いる場合、この感光性樹脂にアゾ化合物や炭酸塩等を含有させた発泡性樹脂を用いてもよい。発泡性樹脂に含まれる気体によって、第１連結層８の弾性率が小さくなり、この第１連結層８と音響波伝搬部７との音響インピーダンスが大きく乖離する。よって、音響波が伝搬する抵抗を高めることができ、成分分離制御の精度の向上に寄与する。
【００４１】
また、本実施の形態では第１封止部９としてガラスを用いたが、この他プラスチックやシリコンを用いてもよい。
【００４２】
（実施の形態２）
本実施の形態と実施の形態１との違いの一つは、図６に示すように、音響波伝搬部（図１の７）が、第２封止部２５と、この第２封止部２５の上面に形成した第２連結層２４と、この第２連結層の上面に形成した二つの音響波伝搬基板２３Ａおよび２３Ｂとからなり、流路溝２６はこの二つの音響波伝搬基板２３Ａおよび２３Ｂとの隙間で形成されていることである。
【００４３】
また、その他の違いとして、音響波発生部２７Ａおよび２７Ｂを音響波伝搬基板２３Ａ、２３Ｂの各側面に形成したことが上げられる。
【００４４】
本実施の形態では、第２連結層２４の弾性率を第２封止部２５の弾性率より小さくするため、第２封止部２５をガラス製とし、第２連結層２４を感光性樹脂で形成した。さらにこの第２連結層２４に、第１連結層と同様の複数の貫通孔（図示せず）を形成し、網目構造とした。なお、第２連結層２４は、音響波伝搬基板２３Ａと２３Ｂの下面もしくは第２封止部２５の上面に、凹部もしくは凸部を設けることによって形成しても、同様の効果が得られる。
【００４５】
本実施の形態の構成では、音響波発生部２７Ａおよび２７Ｂは、流路溝２６を構成する音響波伝搬基板２３Ａおよび２３Ｂのみと接続しているため、より効率的に音響波発生部２７Ａおよび２７Ｂで発生した振動を流路溝２６の側面に伝搬することができ、音響波の減衰を抑制し、その結果、成分分離デバイス２９の分離精度の向上に寄与する。なお、本実施の形態の場合、音響波伝搬基板２３Ａおよび２３Ｂの下面に第２連結層２４を配置していることから、音響波の効果的な伝搬のためには、第２封止部２５の下面または側面ではなく、音響波伝搬基板２３Ａおよび２３Ｂのそれぞれの側面に形成することが望ましい。第２封止部２５上に形成した場合、第２連結層によって音響波の伝搬抵抗が大きくなっているため、殆ど音響波伝搬基板２３Ａおよび２３Ｂへと伝搬しないからである。
【００４６】
その他の構成および効果は実施の形態１と同様であるため省略する。
【００４７】
（実施の形態３）
本実施の形態と実施の形態１との違いは、図７の成分分離デバイス３０の構成を示す分解斜視図に示すように、第１連結層３１を、音響波伝搬部３５の上面であって、流路溝３３の外枠にのみ形成したことである。また、その他の違いとして、音響波発生部３４を音響波伝搬部３５の下面に形成したことがあげられる。
【００４８】
本実施の形態では、図８に示すように、音響波伝搬部３５には流路溝３３の深さ方向にたわみ振動２８が生ずるが、第１連結層３１によって音響波伝搬部３５と第１封止部３６との間にキャビティ３７が形成されているため、たわみ振動２８が干渉されることなく、音響波３２は効率的に流路溝３３へ伝搬される。その結果、音響波の減衰を低減し、成分分離デバイス３０の分離精度を向上させることができる。
【００４９】
また本実施の形態では、音響波発生部３４を音響波伝搬部３５上にスパッタリング後エッチング加工するなど、半導体プロセスを利用して直接形成することができるため、加工、配置が容易で精度がよく行うことができる。
【００５０】
なお、本実施の形態では音響波発生部３４を一つだけ配置したが、他の例として、図９のように音響波発生部３８を２つ以上形成してもよく、この場合、位相をずらした音響波を発生させることによって定在波の強度を強めたり、周波数の異なる音響波を発生させることによって定在波の節を複数形成したりでき、成分の分離精度の向上に寄与する。
【００５１】
その他の構成および効果は実施の形態１と同様であるため省略する。
【００５２】
（実施の形態４）
本実施の形態と実施の形態１との違いは、図１０の分解斜視図と図１１の断面図とに示すように、第１封止部３９の下面にはフレーム４０を配置し、このフレーム４０で音響波伝搬部４１の側面の外周を囲み、フレーム４０と音響波伝搬部４１との間には中空部分４２を有していることである。その他の違いは、音響波発生部４３を音響波伝搬部４１の下面に形成したことである。
【００５３】
上記構成によれば、中空部分４２で音響波の伝搬抵抗が大きくなるため、フレーム４０部分には音響波が殆ど拡散されない。したがって、音響波の減衰を抑制し、効果的に流路溝４４へ伝搬させることができ、結果として成分分離精度を向上させることができる。
【００５４】
この場合、フレーム４０への音響波の伝搬はほとんど考慮しなくてよいことから、フレーム４０を直接第１封止部３９と接合してもよく、成分分離デバイス４４の強度を向上させることができる。
【００５５】
その他の構成および効果は実施の形態１と同様であるため省略する。
【００５６】
（実施の形態５）
図１２に示すように本実施の形態における化学分析デバイス４５は、前述の実施の形態１で示した成分分離デバイス６を搭載した、血液検査用の化学分析デバイス４５である。
【００５７】
この化学分析デバイス４５は、検体導入口４６と、この検体導入口に接続された輸送部（ポンプ）４７と、この輸送部４７と接続された成分分離デバイス６と、この成分分離デバイス６に接続された反応部４８と、この反応部４８に接続された分析部４９とを備えている。
【００５８】
採血した血液を検体導入口４６から注入すると、血液は輸送部４７を経て前述の成分分離デバイス６へと運ばれ、流路溝（図１の１１）を通って各血液成分が分離される。そしてそれぞれの成分が各反応部４８に到達すると、その反応部４８に試薬が注入され、化学反応が開始される。そしてこの化学反応の情報が分析部４９で読み取られるものである。
【００５９】
本実施の形態の化学分析デバイス４５は、２０〜３０ｍｍ四方のシリコン基板５０をベースに形成したものである。
【００６０】
本実施の形態における化学分析デバイス４５は、前述の成分分離デバイス６を用いることによって、高精度な分析が可能である。また、成分分離デバイス６の小型化、省エネルギー化により、化学分析デバイス４５全体の小型化、省エネルギー化にも寄与するものである。なお、成分分離デバイス６としては、実施の形態２から４に記載したものを用いても同様の効果を有する。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、たとえば、血液、乳液などに代表される、液体成分と固形成分が混合された溶液の成分を、それぞれの成分に分離することができるという効果を有し、成分分離器、成分分析機などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】実施の形態１における成分分離デバイスの分解斜視図
【図２】実施の形態１における音響波発生部の断面図
【図３】実施の形態１における成分分離デバイスの動作を示す断面模式図
【図４】実施の形態１における流路溝の断面模式図
【図５】実施の形態１における流路溝の上面図
【図６】実施の形態２における成分分離デバイスの分解斜視図
【図７】実施の形態３における成分分離デバイスの分解斜視図
【図８】実施の形態３における成分分離デバイスの動作を示す断面模式図
【図９】実施の形態３における成分分離デバイスの分解斜視図
【図１０】実施の形態４における成分分離デバイスの分解斜視図
【図１１】実施の形態４における成分分離デバイスの断面図
【図１２】実施の形態５における化学分析デバイスの斜視模式図
【図１３】従来の成分分離デバイスの断面図
【符号の説明】
【００６３】
６  成分分離デバイス
７  音響波伝搬部
８  第１連結層
９  第１封止部
１０  音響波発生部
１１  流路溝
１２  貫通孔
１３  第１電極
１４  圧電体
１５  第２電極
１６  固形成分
１７  液体成分
１８  振動
１９  音響波
２０  定在波
２１  節
２２  第１連結層
２３Ａ、２３Ｂ  音響波伝搬基板
２４  第２連結層
２５  第２封止部
２６  流路溝
２７Ａ、２７Ｂ  音響波発生部
２８  たわみ振動
２９  成分分離デバイス
３０  成分分離デバイス
３１  第１連結層
３２  音響波
３３  流路溝
３４  音響波発生部
３５  音響波伝搬部
３６  第１封止部
３７  キャビティ
３８  音響波発生部
３９  第１封止部
４０  フレーム
４１  音響波伝搬部
４２  中空部分
４３  音響波発生部
４４  成分分離デバイス
４５  化学分析デバイス
４６  検体導入口
４７  輸送部
４８  反応部
４９  分析部
５０  シリコン基板
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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