(57)【要約】【課題】  小型化を妨げない構造にて、液体を短時間で充分に混合すること。【解決手段】  各供給口３，４から供給された各々異なる液体が、微小流路６ａ，６ｂを流れて混合エリア９へ流入され、更に混合流路７を流れて流出口５から流出されるようにする。この際、混合エリア９内には、当該混合エリア９の円形の平行な接線の内、一方の接線に沿って液体が流入され、この流入された液体が円形状の内縁に沿って周回した後、他方の接線に沿って流入方向と逆方向に流出されるので、混合エリア９で液体が回転しながら流れるようにして、液体の混合度合が向上するようにした。【選択図】      図１
2005169218.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を供給する貫通穴による１乃至は複数の供給口及び、液体が流出する貫通穴による１乃至は複数の流出口が、一端側に配列されて形成された蓋板と、
液体の混合エリアとなる円形状の凹領域と、この凹領域の円形状の平行な２つの接線のうち一方の接線に略沿って当該凹領域と前記供給口とを連通する液体流入用の流路となる１乃至は複数の第１の溝と、他方の接線に略沿って当該凹領域と前記流出口とを連通する液体流出用の流路となる１乃至は複数の第２の溝とが形成された基板とを備え、
前記基板の上に、前記凹領域及び前記第１及び第２の溝を覆って前記混合エリア及び前記流路が形成されるように前記蓋板を接合してなる
ことを特徴とするマイクロミキサ。
【請求項２】
前記混合エリアを流れる液体の流動圧力のバランスが崩れるように、または、液体に回転の力を与えるように、当該液体に振動を供給する１乃至は複数の圧電素子
を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロミキサ。
【請求項３】
前記混合エリアを流れる液体が蛇行する位置に複数の第１の障害物
を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロミキサ。
【請求項４】
前記複数の第１の障害物をディフューザ形状とした
ことを特徴とする請求項３に記載のマイクロミキサ。
【請求項５】
前記混合エリアを流れる液体の流れが複数に分流する位置に複数の第２の障害物
を更に備えたことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のマイクロミキサ。
【請求項６】
液体を供給する貫通穴による１乃至は複数の供給口が、一端側に配列されて形成された蓋板と、
液体の混合エリアとなる円形状の凹領域と、この凹領域の円形状の接線に略沿って当該凹領域と前記供給口とを連通する液体流入用の流路となる１乃至は複数の溝とが形成されると共に、前記凹領域の底面中央に液体が流出する貫通穴による１乃至は複数の流出口を備え、
前記基板の上に、前記凹領域及び前記溝を覆って前記混合エリア及び前記流路が形成されるように前記蓋板を接合してなる
ことを特徴とするマイクロミキサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に形成された微小な流路を用いて、微小容量の液体の混合・反応・分離・精製・抽出・分析などを行うためのマイクロミキサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシニング技術を用いてシリコンやガラス、プラスチックなどの基板上に微小流路（マイクロチャンネル）を形成し、この流路に蓋をすることによって形成される微小空間を、各種液体の混合・反応・分離・精製・抽出・分析などの場に利用する試みが注目されている。
これらの分野に供されるデバイスや装置は、その使用目的に応じて、マイクロミキサ、マイクロリアクタ、μＴＡＳ（マイクロトータルアナリシスシステム）等と呼ばれている。
【０００３】
このようなマイクロミキサにおいては、通常、反応流路の等価直径（流路の断面を円に換算したときの直径）が５００μｍよりも小さいものが微小流路とされている。このように、流路のスケールが微小化してくると、単位体積当たりの表面積が非常に大きくなるという特徴が得られる。
この特長によって、温度、圧力、濃度などの勾配が大きくなるため、熱伝導、物質移動拡散などの効率が向上し、反応系での反応時間の短縮、反応速度の向上等の利点が得られることになる。更に、微小反応で適量合成が可能であり、高い再現性も得られるので、薬品や触媒試薬類などの使用量を大幅に低減することができ、経済的にも有効である。
【０００４】
このようなマイクロミキサの構造に関する従来技術として、次のような各種の構造が提案されている。
まず、図７（ａ）及び（ｂ）に示すような、Ｙ型と呼ばれるマイクロミキサが知られている。
図７は、Ｙ型マイクロミキサの構成部材を示し、（ａ）は蓋板、（ｂ）は基板の平面図である。図８は、図７（ａ）及び（ｂ）に示す蓋板と基板の接合後のマイクロミキサを、（ｂ）に示すＣ１−Ｃ２矢示線に沿って切断した際の断面図である。
【０００５】
このマイクロミキサは、蓋板１と基板２より構成されており、図７（ｂ）に示すように、基板２に双方でＹ字状となる微小流路６及び混合流路７が形成されている。また、図７（ａ）に示すように、蓋板１には、微小流路６の先端部に連結する位置に、各種の溶液、薬品、試薬等を微小流路６に供給するための供給口３，４が設けられ、更に、混合流路７の先端部に連結する位置には、混合又は反応した流体を取り出すための流出口５が形成されている。
【０００６】
そして、図８に示すように、蓋板１と基板２が接合され、供給口３，４から供給された各種液体は、混合流路７で混合され、流出口５から外部に取り出すことができるように、微小流路６及び混合流路７による連続流路が形成されている。
上記のような、等価直径が５００μｍ以下の微小流路内では、レイノルズ数が１０〜数１００程度と極めて小さいため、流れは層流状態である。よって、上記のようなＹ型マイクロミキサにおいては、２つの供給口３，４から供給された液体は、微小流路では２層の流れとなり、その２層の混合は拡散に支配されるため、完全に混合するにはある一定の時間を必要とする。
【０００７】
そこで、その混合時間を短縮するため、２層の流れを平面上で多数に分割して、多数の層流を作ることにより接触面積を増やす方法、また、圧電素子駆動などの外力を利用して、混合を促進する方法などが、提案されている。
図９の平面図及び図１０の断面図は、上記基板２の合流部を拡張することによって混合エリア９を設けた基板８によるマイクロミキサの構成を示す図である。
【０００８】
このようなマイクロミキサにおいては、混合エリア９に対して、図示せぬ圧電素子などによる外力を加えることにより、混合の促進を図っている。
この種の従来のマイクロミキサとして、例えば特許文献１及び非特許文献１に記載のものがある。
【特許文献１】特開平１０−３３７１７３号公報
【非特許文献１】Ｅｒｂａｃｈｅｒ，Ｃ．；Ｂｅｓｓｏｔｈ，Ｆ．Ｇ．;Ｂｕｓｃｈ，Ｍ．；Ｖｅｒｐｏｏｒｔｅ，Ｅ．；Ｍａｎｚ，Ａ．Ｍｉｋｒｏｃｈｉｍ  Ａｃｔａ  １９９９，１３３，１９．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、従来のマイクロミキサにおいては、微小流路に流れる液体は層流となるので、混合は拡散で支配される。このため、層流状態で混合効率を上げるには流れを幾つにも分割して多数の層流を作り出すか、圧電素子駆動などの外力を利用して液体を攪拌する等の方法によって、混合を効率化することが要求される。
しかし、流れを多数に分割した流路を用いる方法においては、混合のための液体が２種類ではなく多元系に及ぶ場合は、それに対応して多数分割流路を複数配置することになるので、流路基板面積が大となってマイクロミキサ全体が大きくなるという問題がある。
また、圧電素子駆動を利用して液体を攪拌する方法においても、圧電素子の変位が小さ過ぎて液体に充分な振動が伝わらず攪拌能力が弱いので充分に混合することが困難である。このため混合時間が長くなるという問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、小型化を妨げない構造にて、液体を短時間で充分に混合することができるマイクロミキサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１によるマイクロミキサは、液体を供給する貫通穴による１乃至は複数の供給口及び、液体が流出する貫通穴による１乃至は複数の流出口が、一端側に配列されて形成された蓋板と、液体の混合エリアとなる円形状の凹領域と、この凹領域の円形状の平行な２つの接線のうち一方の接線に略沿って当該凹領域と前記供給口とを連通する液体流入用の流路となる１乃至は複数の第１の溝と、他方の接線に略沿って当該凹領域と前記流出口とを連通する液体流出用の流路となる１乃至は複数の第２の溝とが形成された基板とを備え、前記基板の上に、前記凹領域及び前記第１及び第２の溝を覆って前記混合エリア及び前記流路が形成されるように前記蓋板を接合してなる
ことを特徴としている。
【００１１】
この構成によれば、供給口から供給された液体が、流路を流れて混合エリアへ流入され、この流入された液体が円形状の内縁に沿って周回した後、流入方向と逆方向に流路から流出口へ流出されるので、混合エリアで液体が回転しながら流れる。これによって、液体の混合度合が向上する。また、混合エリアにおいて液体が回転することによって当該液体が遠心力で運ばれるので、より速く攪拌されて混合されることになる。
また、本発明の請求項２によるマイクロミキサは、請求項１において、前記混合エリアを流れる液体の流動圧力のバランスが崩れるように、または、液体に回転の力を与えるように、当該液体に振動を供給する１乃至は複数の圧電素子を更に備えたことを特徴としている。
【００１２】
この構成によれば、圧電素子によって液体に振動を与えることにより、液体の流動圧力のバランスが崩れるので、回転しながら流れる液体に更に乱流が生じ、これによって、更に混合効果を向上させることができる。
また、本発明の請求項３によるマイクロミキサは、請求項１において、前記混合エリアを流れる液体が蛇行する位置に複数の第１の障害物を更に備えたことを特徴としている。
この構成によれば、混合エリアを回転しながら流れる液体に更に蛇行成分が加わるので、液体に更に乱流が生じ、これによって、更に混合効果を向上させることができる。
また、本発明の請求項４によるマイクロミキサは、請求項３において、前記複数の第１の障害物をディフューザ形状としたことを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、混合エリアの内周に沿って液体が回転しながら流れる際に、各障害物がディフューザ形状であるため、流れ方向に回転の力を与えることができる。これによって、更に混合効果を向上させることができる。
また、本発明の請求項５によるマイクロミキサは、請求項１から４の何れか１項において、前記混合エリアを流れる液体の流れが複数に分流する位置に複数の第２の障害物を更に備えたことを特徴としている。
この構成によれば、混合エリアの内周に沿って液体が回転しながら流れる際に、その流路が各障害物１３によって複数に分流されるので、液体に更に乱流が生じると共に、異なる液体間の接触面積が増え、これによって、更に混合効果を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の請求項６によるマイクロミキサは、液体を供給する貫通穴による１乃至は複数の供給口が、一端側に配列されて形成された蓋板と、液体の混合エリアとなる円形状の凹領域と、この凹領域の円形状の接線に略沿って当該凹領域と前記供給口とを連通する液体流入用の流路となる１乃至は複数の溝とが形成されると共に、前記凹領域の底面中央に液体が流出する貫通穴による１乃至は複数の流出口を備え、前記基板の上に、前記凹領域及び前記溝を覆って前記混合エリア及び前記流路が形成されるように前記蓋板を接合してなることを特徴としている。
この構成によれば、各供給口から供給された液体が混合エリア内を周回しながら中央底の流出口から流出されるので、液体が渦巻状に流れる。これによって、更に混合効果を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように本発明によれば、小型化を妨げない構造にて、液体を短時間で充分に混合することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロミキサの構成を示す図であり、（ａ）は基板の平面図、（ｂ）は（ａ）に示す基板に図示せぬ蓋板を接合後のマイクロミキサを、（ａ）に示すＤ１−Ｄ２矢示線に沿って切断した際の断面図である。
但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を省略する。
図１に示すマイクロミキサは、直方体形状の基板８上の中央に、円形状の凹領域による混合エリア９を形成し、更に基板８上に、混合エリア９と各々の供給口３，４とを連通する細長い溝による微小流路６ａ，６ｂを形成し、更に混合流路７と流出口５とを連通する混合流路７を形成し、この基板８上に蓋板１を貼り付けて構成されている。
【００１７】
また、一方の微小流路６ａと混合流路７とは、混合エリア９の円形状の平行な接線に沿って同方向に延長した状態で形成され、また、他方の微小流路６ｂは、微小流路６ａに対して所定角度で斜め配置状態となるように形成されている。
このような構成のマイクロミキサにおいては、各供給口３，４から供給された各々異なる液体が、微小流路６ａ，６ｂを流れて混合エリア９へ流入され、更に混合流路７を流れて流出口５から流出される。
【００１８】
この時、混合エリア９内には、当該混合エリア９の円形の平行な接線の内、一方の接線に沿って液体が流入され、この流入された液体が円形状の内縁に沿って周回した後、他方の接線に沿って流入方向と逆方向に流出されるので、混合エリア９で液体が回転しながら流れる。これによって、液体の混合度合が向上する。また、混合エリア９において液体が回転することによって当該液体が遠心力で運ばれるので、より速く攪拌されて混合されることになる。
従って、第１の実施の形態のマイクロミキサによれば、マイクロミキサの小型化を妨げない構造にて、液体を短時間で充分に混合することができる。
但し、混合エリア９の形状を円形状としたが、液体を回転させることが可能な形状であれば、楕円形状、多角形状など、どの様な形状でもよい。
【００１９】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロミキサの基板の構成を示す平面図である。
この第２の実施の形態のマイクロミキサが、図１に示した第１の実施の形態のマイクロミキサと異なる点は、混合エリア９の上方の蓋板１上に、複数の圧電素子１０ａ，１０ｂを搭載して構成した点にある。
各圧電素子１０ａ，１０ｂは、混合エリア９を回転しながら流れる液体の流動圧力のバランスが崩れるように、液体に振動を供給可能な位置に固定されている。但し、圧電素子は、液体の流動圧力のバランスが崩れるように、液体に振動を供給できれば１つでもよい。
【００２０】
このように、第２の実施の形態のマイクロミキサによれば、圧電素子１０ａ，１０ｂによって、液体に振動を与えることによって、液体の流動圧力のバランスが崩れるので、回転しながら流れる液体に更に乱流が生じ、これによって、更に混合効果を向上させることができる。従って、マイクロミキサの小型化を妨げない構造にて、液体を更に短時間で充分に混合することができる。
更に、液体に回転する力を与える効果も期待することができる。その効果を得やすくするために、圧電素子１０ａ，１０ｂの貼り付け位置が、混合エリア部９に対して非対称の方が適している場合は、非対称に配置してもよい。また、対称の方が効果が得やすい場合は、対称に配置してもよい。
【００２１】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施の形態に係るマイクロミキサの基板の構成を示す平面図である。
この第３の実施の形態のマイクロミキサが、図１に示した第１の実施の形態のマイクロミキサと異なる点は、混合エリア９の内周壁に、中心に向かう突起状の障害物１１を所定間隔で複数設けると共に、混合エリア９の中心部に当該混合エリア９の円周よりも直径の小さい円形状で且つこの円形の外周に、障害物１１と障害物１１との間及びそれ以外の部分に位置する複数の突起物が形成された障害物１２を設けて構成した点にある。
このような構成の第３の実施の形態のマイクロミキサにおいては、混合エリア９を液体が回転しながら且つ蛇行して流れるので、液体に更に乱流が生じ、これによって、更に混合効果を向上させることができる。従って、マイクロミキサの小型化を妨げない構造にて、液体を更に短時間で充分に混合することができる。
【００２２】
（第４の実施の形態）
図４は、本発明の第４の実施の形態に係るマイクロミキサの基板の構成を示す平面図である。
この第４の実施の形態のマイクロミキサが、図３に示した第３の実施の形態のマイクロミキサと異なる点は、障害物１１，１２を図４に示すように、流体の運動エネルギーを圧力勾配に変換する機械要素を意味するディフューザ型の障害物１１ａ，１２ａとした点にある。
このような構成の第４の実施の形態のマイクロミキサにおいては、混合エリア９の内周に沿って液体が回転しながら流れる際に、各障害物１１ａ，１２ａがディフューザ型であるため、流れ方向に回転の力を与えることができる。これによって、更に混合効果を向上させることができる。従って、マイクロミキサの小型化を妨げない構造にて、液体を更に短時間で充分に混合することができる。
【００２３】
（第５の実施の形態）
図５は、本発明の第５の実施の形態に係るマイクロミキサの基板の構成を示す平面図である。
この第５の実施の形態のマイクロミキサが、図４に示した第４の実施の形態のマイクロミキサと異なる点は、ディフューザ型障害物１１ａと１２ａとの間の流路に、液体の流れを細分化する複数の障害物１３を更に設けた点にある。
このような構成の第５の実施の形態のマイクロミキサにおいては、混合エリア９の内周に沿って液体が回転しながら流れる際に、その流路が各障害物１３によって細かく分かれるので、液体に更に乱流が生じると共に、異なる液体間の接触面積が増え、これによって、更に混合効果を向上させることができる。従って、マイクロミキサの小型化を妨げない構造にて、液体を更に短時間で充分に混合することができる。
但し、第５の実施の形態の特徴構成は、第４の実施の形態のみならず、第１〜第３の実施の形態のマイクロミキサに適用しても同等の効果を得ることができる。
【００２４】
（第６の実施の形態）
図６は、本発明の第６の実施の形態に係るマイクロミキサの構成を示す図であり、（ａ）は基板の平面図、（ｂ）は（ａ）に示す基板に図示せぬ蓋板を接合後のマイクロミキサを、（ａ）に示すＤ３−Ｄ４矢示線に沿って切断した際の断面図である。
この第６の実施の形態のマイクロミキサが、図１に示した第１の実施の形態のマイクロミキサと異なる点は、蓋板１を流出口５が形成されていない構成とすると共に、基板８を混合流路７が形成されておらず、混合エリア９の底面中央に基板８の下面に貫通する貫通穴による流出口１４を形成して構成した点にある。
【００２５】
このような構成の第６の実施の形態のマイクロミキサによれば、各供給口３，４から供給された液体が混合エリア９内を周回しながら中央底の流出口１４へ流れるので、液体が渦巻状に流れる。これによって、更に混合効果を向上させることができる。従って、マイクロミキサの小型化を妨げない構造にて、液体を更に短時間で充分に混合することができる。なお、流出口１４は、渦巻きが生じれば複数であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロミキサの構成を示す図であり、（ａ）は基板の平面図、（ｂ）は（ａ）に示す基板に図示せぬ蓋板を接合後のマイクロミキサを、（ａ）に示すＤ１−Ｄ２矢示線に沿って切断した際の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るマイクロミキサの基板の構成を示す平面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係るマイクロミキサの基板の構成を示す平面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係るマイクロミキサの基板の構成を示す平面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係るマイクロミキサの基板の構成を示す平面図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態に係るマイクロミキサの構成を示す図であり、（ａ）は基板の平面図、（ｂ）は（ａ）に示す基板に図示せぬ蓋板を接合後のマイクロミキサを、（ａ）に示すＤ３−Ｄ４矢示線に沿って切断した際の断面図である。
【図７】従来のＹ型マイクロミキサの構成部材を示し、（ａ）は蓋板、（ｂ）は基板の平面図である。
【図８】図７（ａ）及び（ｂ）に示す蓋板と基板の接合後のマイクロミキサを、（ｂ）に示すＣ１−Ｃ２矢示線に沿って切断した際の断面図である。
【図９】従来のＹ型マイクロミキサの合流箇所に混合エリア部を設けた基板の平面図である。
【図１０】図９に示す基板に蓋板を接合した後のマイクロミキサを、図９に示すＣ３−Ｃ４矢示線に沿って切断した際の断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  蓋板
２，８  基板
３，４  供給口
５，１４  流出口
６，６ａ，６ｂ  微小流路
７  混合流路
９  混合エリア
１０ａ，１０ｂ  圧電素子
１１，１２，１３  障害物
１１ｂ，１２ｂ  ディフューザ型障害物
【図１】
2005169218.tif 000003
【図２】
2005169218.tif 000004
【図３】
2005169218.tif 000005
【図４】
2005169218.tif 000006
【図５】
2005169218.tif 000007
【図６】
2005169218.tif 000008
【図７】
2005169218.tif 000009
【図８】
2005169218.tif 000010
【図９】
2005169218.tif 000011
【図１０】
2005169218.tif 000012