(57)【要約】【課題】  熱伝導を低減して被温度調節部の温度の精度が向上するマイクロチップを提供する。【解決手段】  マイクロチップ１０のチップ本体１１に設置されている流路部１４には、ペルチェ素子２１を有する温度制御装置２０によって温度が調節される被温度調節部１５が設定されている。被温度調節部１５の外周側には、流路部１４を除き不連続に被温度調節部１５を包囲する溝１６が設置されている。溝１６は、チップ本体１１を板厚方向に貫いている。被温度調節部１５の周囲に溝１６を設置することにより、被温度調節部１５と溝１６の外周側との熱伝導が低減される。したがって、被温度調節部１５の温度を精密に制御することができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状のチップ本体と、
前記チップ本体に設置され、温度が調節される被温度調節部と、
前記チップ本体において前記被温度調節部の外周側に設置されている断熱部と、
を備えるマイクロチップ。
【請求項２】
前記断熱部は、空気の層である請求項１記載のマイクロチップ。
【請求項３】
前記チップ本体に、前記被温度調節部へ連通する流路部をさらに備え、
前記断熱部は、前記流路部を除く前記被温度調節部の周囲に連続して設置されている請求項１または２記載のマイクロチップ。
【請求項４】
前記断熱部は、前記被温度調節部の周囲に不連続に設置されている請求項１または２記載のマイクロチップ。
【請求項５】
前記断熱部は、前記被温度調節部の周囲に連続して設置されている請求項１または２記載のマイクロチップ。
【請求項６】
前記断熱部は、前記被温度調節部の外周側に形成される溝である請求項１から５のいずれか一項記載のマイクロチップ。
【請求項７】
前記溝は、前記チップ本体を板厚方向に貫いている請求項６記載のマイクロチップ。
【請求項８】
前記溝には、断熱材が充填されている請求項６または７記載のマイクロチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、局所的に温度が調節される被温度調節部を有するマイクロチップに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロチップでは、薄い板状のチップ本体に微細な流路や槽領域などが形成されている。このマイクロチップの流路または槽領域において、試料の分離、合成あるいは観察、または細胞や細菌の培養などが行われる。このようなマイクロチップでは、流路または槽領域などの被温度調節部を、高精度かつ局所的に温度制御する必要がある。
【０００３】
上記のようにマイクロチップの被温度調節部の温度を局所的に制御する技術として、例えば特許文献１、２または非特許文献１に開示されている技術が公知である。特許文献１では、マイクロチップの分析電極ごとに分析電極を加熱する加熱電極を備えている。これにより、マイクロチップの分析電極は個別に温度が調節される。また、特許文献２では、熱伝導体で構成される複数のアイランドを個別に温度調節する温度調節器を備えている。これにより、アイランドごとに温度調節が可能となり、アイランドに接するサンプル容器の温度が制御される。さらに、非特許文献１では、被温度調節部を有するチップの一方の面側に微小のペルチェ素子を有するヒートシンクが設置されている。これにより、チップの被温度調節部はペルチェ素子によって温度調節が行われる。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されている発明の場合、分析電極には加熱電極が設置されるのみである。そのため、分析電極を冷却することは困難である。その結果、設定温度が雰囲気温度に近いとき、精密な温度調節は困難である。また、特許文献２に開示されている発明も、特許文献１と同様にアイランドは加熱されるのみである。そのため、アイランドと接するサンプル容器の冷却は困難であり、精密な温度調節は困難である。
【０００５】
一方、非特許文献１に開示されている発明の場合、ペルチェ素子を用いることにより被温度調節部は加熱だけでなく冷却も可能となる。しかしながら、隣接する被温度調節部の間で設定温度に差があるとき、チップを通して被温度調節部の間に熱伝導が生じる。そのため、一方の被温度調節部の温度は他方の被温度調節部の温度の影響を受け、精密な温度の調節が困難になる。特許文献１および特許文献２に開示されている技術の場合も、チップを通して熱伝導が生じる。そのため、隣接する被温度調節部の精密な温度の調節は困難である。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１２７９００号公報
【特許文献２】特開平１３−２３５４７４号公報
【非特許文献１】シチズン時計株式会社のウェブサイト                      ＵＲＬ：http://www.citizen.co.jp/med/field/index.html
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述の課題を鑑みて創作されたものであり、熱伝導を低減して被温度調節部の温度の精度が向上するマイクロチップを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明のマイクロチップでは、板状のチップ本体と、前記チップ本体に設置され、温度が調節される被温度調節部と、前記チップ本体において前記被温度調節部の外周側に設置されている断熱部と、を備える。
被温度調節部の外周側に断熱部を設置することにより、被温度調節部と断熱部の外側との間における熱伝導が低減される。これにより、被温度調節部は、周囲の温度の影響を受けにくくなる。したがって、被温度調節部における温度を精密に調節することができる。
【０００９】
（２）本発明のマイクロチップでは、前記断熱部は、空気の層である。
空気の熱伝導率は、例えば樹脂やガラスからなるチップ本体の熱伝導率に比較して小さい。これにより、断熱部は被温度調節部と外側との熱伝導を低減する。したがって、被温度調節部における温度を精密に調節することができる。
【００１０】
（３）本発明のマイクロチップでは、前記チップ本体に、前記被温度調節部へ連通する流路部をさらに備え、前記断熱部は、前記流路部を除く前記被温度調節部の周囲に連続して設置されている。
これにより、被温度調節部は、断熱部に連通する流路を確保するために最低限必要な部分を除き、周囲が断熱部によって覆われている。そのため、被温度調節部は、周囲の温度の影響を受けにくくなる。したがって、被温度調節部における温度を精密に調節することができる。
【００１１】
（４）本発明のマイクロチップでは、前記断熱部は、前記被温度調節部の周囲に不連続に設置されている。
これにより、断熱部は被温度調節部と外側との熱伝導を低減する。したがって、被温度調節部における温度を精密に調節することができる。また、溝の不連続な部分によって、被温度調節部はチップ本体に支持することができる。
【００１２】
（５）本発明のマイクロチップでは、前記断熱部は、前記被温度調節部の周囲に連続して設置されている。
これにより、断熱部はチップ本体を通した熱伝導が低減される。したがって、被温度調節部における温度を精密に調節することができる。
【００１３】
（６）本発明のマイクロチップでは、前記断熱部は、前記被温度調節部の外周側に形成される溝である。
これにより、簡単な構造で断熱部が形成され、断熱部は被温度調節部と外側との熱伝導を低減する。したがって、簡単な構造で被温度調節部における温度を精密に調節することができる。
【００１４】
（７）本発明のマイクロチップでは、前記溝は、前記チップ本体を板厚方向に貫いている。
これにより、簡単な構造で断熱部が形成され、断熱部は被温度調節部と外側との熱伝導を低減する。断熱部を形成する溝がチップ本体を板厚方向に貫くことにより、被温度調節部から外部への熱伝導は低減される。したがって、簡単な構造で被温度調節部における温度を精密に調節することができる。
【００１５】
（８）本発明のマイクロチップでは、前記溝には、断熱材が充填されている。
これにより、空気にかえて断熱材を充填してもよい。空気より熱伝導率が小さな断熱材を溝に充填することにより、被温度調節部から外部への熱伝導はさらに低減される。したがって、簡単な構造で被温度調節部における温度を精密に調節することができる。また、溝に断熱材を充填することにより、チップ本体の強度を向上することができる。さらに、断熱材として、その熱伝導率が空気の熱伝導率よりも大きく、チップ本体を形成する材料の熱伝導率よりも小さいものを用いることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるマイクロチップ１０の平面および断面を示す概略図である。マイクロチップ１０は、薄い板状のチップ本体１１を備えている。チップ本体１１は、例えば樹脂やガラスなどから形成されている。マイクロチップ１０は、細胞や細菌の培養、および化学反応や化学物質の分離などに適用される。
【００１７】
マイクロチップ１０のチップ本体１１は、二つの槽部１２、１３と、これらの槽部１２、１３を接続する流路部１４とを形成している。槽部１２、１３および流路部１４は、チップ本体１１の一方の面側から他方の面側へ窪んで形成されている。チップ本体１１には、被温度調節部１５が設置されている。被温度調節部１５は、槽部１２と槽部１３との間の流路部１４に設置されている。被温度調節部１５では、流路部１４が蛇行している。すなわち、流路部１４の蛇行する部分に、被温度調節部１５が設定されている。流路部１４が蛇行することにより、被温度調節部１５における流路部１４の面積を拡大している。これにより、槽部１２と槽部１３との間では、被温度調節部１５に連通する流路部１４を経由して流体が移動する。
【００１８】
被温度調節部１５は温度制御装置２０と接している。温度制御装置２０は、ペルチェ素子２１および温度調節部２２を備えている。ペルチェ素子２１は、通電する向きによって一方の面が発熱し、他方の面が吸熱する。ペルチェ素子２１に印加する電流の向きおよび大きさを制御することにより、温度調節部２２は加熱または冷却される。温度調節部２２は、例えば銅、アルミニウムまたは各種の合金など、熱伝導体により形成されている。これにより、温度調節部２２は所定の温度に制御されるとともに、温度調節部２２と接するチップ本体１１の被温度調節部１５も所定の温度に制御される。温度調節部２２は、金属に限らず例えば熱伝導性を有するセラミックスや樹脂などで形成してもよい。
【００１９】
チップ本体１１は、温度制御装置２０の温度調節部２２と接することにより、被温度調節部１５の温度が制御される。マイクロチップ１０は、被温度調節部１５の外周側に断熱部を形成する溝１６を備えている。チップ本体１１は溝１６を形成している。溝１６は、チップ本体１１の槽部１２、１３および流路部１４が形成されている面から温度制御装置２０側の面へ窪んで形成されている。溝１６は、チップ本体１１の槽部１２、１３および流路部１４が形成されている面から温度制御装置２０側の面へ深く形成することが望ましく、チップ本体１１を貫いて形成することがさらに望ましい。
【００２０】
溝１６は、被温度調節部１５の外周側を包囲するとともに、流路部１４が形成されている部分で不連続となっている。これにより、被温度調節部１５に連通する流路部１４が溝１６によって寸断されることはない。溝１６は、被温度調節部１５の外周側に連続して設置してもよい。この場合、被温度調節部１５は、別部材によりチップ本体１１に支持することができる。また、溝１６は、被温度調節部１５の周囲に不連続、すなわち一定の間隔あるいは不定の間隔で複数の位置に設置してもよい。
マイクロチップ１０は、槽部１２、１３、流路部１４および溝１６を有するチップ本体１１を例えばエンボス加工や射出成形加工したり、エッチング加工することにより形成される。
【００２１】
（変形例）
マイクロチップ１０は、図１に示した上述の形状に限らず、図２および図３に示すような形状であってもよい。図２に示すマイクロチップ３０は、チップ本体３１に複数の槽部３２および断熱部としての溝３６を備えている。これらの複数の槽部３２には、それぞれ被温度調節部３５が設定されている。溝３６は、被温度調節部３５が設定されている槽部３２の外周側を不連続に囲んでいる。この溝３６の不連続な部分によって、槽部３２および被温度調節部３５はチップ本体３１に支持されている。
【００２２】
また、図３に示すマイクロチップ４０は、チップ本体４１に複数の槽部４２、槽部４３、槽部４４、槽部４５と、複数の被温度調節部４６、被温度調節部４７、被温度調節部４８とを備えている。槽部４２には、被温度調節部４６が設定されている。槽部４２と、槽部４３、槽部４４、槽部４５との間を連通する流路部４９は、被温度調節部４７および被温度調節部４８において蛇行している。これにより、槽部４２および流路部４８の複数の位置に被温度調節部４６、４７、４８を設定することができる。各被温度調節部４６、４７、４８の外周側には、溝１７、１８、１９が設置されている。各溝１７、１８、１９は、流路部４９に対応する部分を除き連続して形成されている。
【００２３】
以上説明した本発明の実施形態では、溝１６、１７、１８、１９、３６の内部には、空気が充填されている。しかし、溝１６、１７、１８、１９、３６の内部に空気よりも熱伝導率の小さな物質を充填することにより、被温度調節部１５、３５、４６、４７、４８から溝１６、１７、１８、１９、３６の外周側への熱伝導をさらに低減する構成としてもよい。また、空気の熱伝導率よりも大きく、チップ本体１１、３１、４１の材料よりも熱伝導率が小さな物質を断熱材として溝１６、１７、１８、１９、３６に充填してもよい。この場合の断熱材としては、例えば発泡ウレタン、発泡ポリスチレンなどの発泡材を用いることができる。さらに、溝１６、１７、１８、１９、３６に断熱材を充填することにより、チップ本体１１、３１、４１の強度を高めることができる。さらに、溝１６、１７、１８、１９、３６は、被温度調節部１５、３５、４６、４７、４８の外周側に連続して設置するのではなく、不連続に一定の間隔または不定の間隔など任意の形状に設置してもよい。さらに、溝１６、１７、１８、１９、３６は、被温度調節部１５、３５、４６、４７、４８の外周側に二重、三重、またはそれ以上に設置してもよい。
【００２４】
次に、マイクロチップ１０に設置する断熱部としての溝１６の形状と断熱効果について説明する。
（溝の有無による効果）
図４では、（Ａ）にシリコーン樹脂（ポリジメチルシロキサン）製のマイクロチップ５０の被温度調節部５１の周囲に断熱部としての溝５２を設置したときの温度分布を示し、（Ｂ）に溝５２を設置していないときの温度分布を示している。いずれも、マイクロチップ５０は、室温（２５℃）の雰囲気にさらされ、被温度調節部５１の温度が９０℃に制御された例である。図４では、７７℃、６４℃、５１℃および３８℃の等温線を示している。このように、被温度調節部５１の周囲に溝５２を設置することにより、被温度調節部５１から溝５２の外周側への熱伝導は減少する。そのため、溝５２を設置するとき、被温度調節部５１の周囲は被温度調節部５１の影響を受けず、温度がほとんど上昇しない。
【００２５】
これに対し、被温度調節部５１の周囲に溝５２を設置しない場合、マイクロチップ５０のチップ本体を経由した熱伝導により、被温度調節部５１から周囲へ熱が移動する。そのため、被温度調節部５１の温度は低下しやすく、かつ被温度調節部５１の周囲において温度が上昇する範囲は拡大する。
【００２６】
このように、被温度調節部５１の周囲に溝５２を設置することにより、被温度調節部５１から周囲への熱の移動は低減される。その結果、被温度調節部５１を加熱するとき、被温度調節部５１の温度の低下、および被温度調節部５１の周囲の温度の上昇は抑えられる。同様に、被温度調節部５１を冷却するとき、被温度調節部５１の温度の上昇、および被温度調節部５１の周囲の温度の低下は押さえられる。したがって、被温度調節部５１の温度を高精度に制御することができる。
【００２７】
（溝の深さと断熱効果）
図５では、マイクロチップ６０の被温度調節部６１の周囲に設置する溝６２の深さと断熱効果との関係を示している。図５（Ａ）から図５（Ｄ）に溝６２の深さの異なるマイクロチップ６０の断面形状の概略を示し、図５（Ｅ）にこれらのマイクロチップ６０の表面における温度分布の概略を示している。マイクロチップ６０は、シリコーン樹脂（ポリジメチルシロキサン）により幅３５ｍｍ×長さ７０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍの矩形状に形成されている。マイクロチップ６０は、室温である２５℃の雰囲気にさらされ、被温度調節部６１が９０℃に加熱される。
【００２８】
図５（Ａ）から図５（Ｄ）に示すように、マイクロチップ６０は断面の中央部に被温度調節部６１を有している。そして、被温度調節部６１の外周側に溝６２が設置される。溝６２の内部は空気が充填される。図５（Ａ）に示すマイクロチップ６０は、比較のために被温度調節部６１の外周側に溝６２を設置していない。すなわち、図５（Ａ）に示すマイクロチップ６０は、溝６２の深さが０である。図５（Ｂ）に示すマイクロチップ６０は深さ０．５ｍｍすなわちチップ本体６３の板厚の５０％の深さの溝６２を有し、図５（Ｃ）に示すマイクロチップ６０は深さ０．９ｍｍすなわちチップ本体６３の板厚の９０％の深さの溝６２を有し、図５（Ｄ）に示すマイクロチップ６０は深さ１．０ｍｍすなわちチップ本体６３を貫く溝６２を有している。
【００２９】
図５（Ｅ）には、上述のマイクロチップ６０において、幅方向の中央から端部側への温度分布を示している。すなわち、マイクロチップ６０の幅方向の中央を原点０とし、この中央からの長さをＬとしている。図５（Ｅ）に示すように、被温度調節部６１の周囲に溝６２を設置することにより、被温度調節部６１と溝６２の外周側との間が断熱されている。一方、被温度調節部６１の周囲に溝６２を設置しない図５（Ａ）に示すマイクロチップ６０の場合、被温度調節部６１からの熱伝導により、被温度調節部６１の温度は低下するとともに、その外周側の温度は上昇する。図５（Ｂ）に示すマイクロチップ６０の場合、被温度調節部６１の温度低下は見られないものの、溝６２の外周側では図５（Ａ）に示すマイクロチップ６０に近似する温度分布を有している。これにより、溝６２の深さをチップ本体６３の板厚の５０％程度に設定する場合、断熱効果は比較的低くなる。
【００３０】
これに対し、図５（Ｃ）および図５（Ｄ）に示すマイクロチップ６０の場合、被温度調節部６１の温度低下はほとんど見られず、溝６２の外周側では温度の上昇が抑えられている。これにより、被温度調節部６１の外周側に設置する溝６２は、深くなるほど断熱効果が増大する。そして、図５（Ｄ）に示すように溝６２がチップ本体６３を貫くことにより、より大きな断熱効果が得られる。
以上のように、被温度調節部６１の周囲に設置する溝６２は、断熱効果を高めるために深く設定するほど望ましく、チップ本体６３を貫くことがさらに望ましい。
【００３１】
（溝の幅と断熱効果）
図６では、マイクロチップ７０の被温度調節部７１の周囲に設置する溝７２の幅と断熱効果との関係を示している。図６（Ａ）から図６（Ｃ）に溝７２の幅の異なるマイクロチップ７０の断面形状の概略を示し、図６（Ｄ）にこれらのマイクロチップ７０の表面における温度分布の概略を示している。マイクロチップ７０は、シリコーン樹脂（ポリジメチルシロキサン）により幅３５×長さ７０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍの矩形状に形成している。マイクロチップ７０は、室温である２５℃の雰囲気にさらされ、被温度調節部７１が９０℃に加熱される。
【００３２】
図６（Ａ）から図６（Ｃ）に示すように、マイクロチップ７０は断面の中央部に被温度調節部７１を有している。そして、被温度調節部７１の外周側に溝７２が設置されている。溝７２は、チップ本体７３を貫いて形成されており、内部に空気が充填される。図６（Ａ）に示すマイクロチップ７０は幅０．２ｍｍの溝７２を有し、図６（Ｂ）に示すマイクロチップ７０は幅０．５ｍｍの溝７２を有し、図６（Ｃ）に示すマイクロチップ７０は幅１．０ｍｍの溝７２を有している。
【００３３】
図６（Ｄ）には、上述のマイクロチップ７０において、幅方向の中央から端部側への温度分布を示している。すなわち、マイクロチップ７０の幅方向の中央を原点０とし、この中央からの長さをＬとしている。図６（Ｄ）に示すように、被温度調節部７１の周囲に設置する溝７２の幅が大きくなるほど、被温度調節部７１の温度の低下は小さくなり、溝７２の外周側での温度上昇が抑えられる。
以上のように、被温度調節部７１の周囲に設置する溝７２は、断熱効果を高めるために幅を広く設定することが望ましい。
【００３４】
（溝の形状と断熱効果）
図７では、マイクロチップ８０の被温度調節部８１の周囲に設置する溝８２の形状と断熱効果との関係を示している。図７（Ａ）から図７（Ｃ）には溝８２の形状の異なるマイクロチップ８０の平面形状の概略を示し、図７（Ｄ）にこれらのマイクロチップ８０の表面における温度分布の概略を示している。マイクロチップ８０は、シリコーン樹脂（ポリジメチルシロキサン）により幅３５ｍｍ×長さ７０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍの矩形状に形成している。マイクロチップ８０は、室温である２５℃の雰囲気にさらされ、被温度調節部８１が９０℃に加熱される。
【００３５】
図７（Ａ）に示すマイクロチップ８０は、比較のために被温度調節部８１の外周側に溝８２を設置していない。図７（Ｂ）に示すマイクロチップ８０は、流路部に対応する一部を除き被温度調節部８１の周囲を溝８２が包囲している。図７（Ｃ）に示すマイクロチップ８０は、被温度調節部８１の幅方向の両端部の外側にのみ溝８２を設置している。図７（Ｂ）および図７（Ｃ）示すマイクロチップ８０の溝８２は、チップ本体８３を板厚方向に貫いている。
【００３６】
図７（Ｄ）には、上述のマイクロチップ８０において、幅方向の中央から端部側への温度分布を示している。すなわち、マイクロチップ８０の幅方向の中央を原点０とし、この中央からの長さをＬとしている。図７（Ｄ）に示すように、マイクロチップ８０の幅方向への温度分布は、図７（Ｂ）に示すマイクロチップ８０および図７（Ｃ）に示すマイクロチップ８０のいずれも溝８２を設置することにより被温度調節部８１の温度の低下が小さくなり、溝８２の外周側での温度上昇が抑えられる。しかし、図７（Ｃ）に示すマイクロチップ８０の場合、マイクロチップ８０の長さ方向の両端部には溝８２が設置されていない。そのため、図７（Ｃ）に示すマイクロチップ８０の断熱効果は、図７（Ｂ）に示すマイクロチップ８０に比較して低下する。
以上のように、被温度調節部８１の周囲に設置する溝８２は、断熱効果を高めるために、より広い範囲で被温度調節部８１を包囲することが望ましい。
以上の実施例では、被温度調節部が過熱される例について説明したが、被温度調節部を冷却する場合でも本発明は有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態によるマイクロチップを示す概略図であって、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図２】本発明の一実施形態によるマイクロチップの変形例の平面視を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態によるマイクロチップの変形例の平面視を示す概略図である。
【図４】本発明の一実施形態によるマイクロチップの温度分布を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施形態によるマイクロチップにおいて、被温度調節部の外周側に設置される溝の深さと温度分布との関係を示す図であって、（Ａ）から（Ｄ）は溝の形状を示す模式的な断面図であり、（Ｅ）は温度分布を示す概略図である。
【図６】本発明の一実施形態によるマイクロチップにおいて、被温度調節部の外周側に設置される溝の幅と温度分布との関係を示す図であって、（Ａ）から（Ｃ）は溝の形状を示す模式的な断面図であり、（Ｄ）は温度分布を示す概略図である。
【図７】本発明の一実施形態によるマイクロチップにおいて、被温度調節部の外周側に設置される溝の形状と温度分布との関係を示す図であって、（Ａ）から（Ｃ）は溝の形状を示す模式的な平面図であり、（Ｄ）は温度分布を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０、３０、４０、５０、６０、７０、８０  マイクロチップ、１１、３１、４１、６３、７３、８３  チップ本体、１４、４９  流路部、１５  被温度調節部、１６、１７、１８、１９、３６、５２、６２、７２、８２  溝（断熱部）、３５  被温度調節部、４６、４７、４８、５１、６１、７１、８１  被温度調節部
【図１】
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【図２】
2007078393.tif 000004
【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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