(57)【要約】【課題】マイクロマシンなど、微少な流量を取り扱う系に用いられる一方向弁の漏れ流量を減少させる。【解決手段】流路を横切るようにして、中心に弁穴を有する膜状の弁体を配置する。弁穴に対向する位置に、頂面が円形の弁座を配置する。弁体の直径Ｄと弁体の厚さｔの比Ｒ（＝Ｄ／ｔ）を１００以上、より好ましくは１５０以上とすることで漏れ流量が減少する。比Ｒが、この範囲であると、弁体が撓んで弁座の縁の部分にて線接触するようになり、高い面圧が得られ、確実に流路を閉鎖することができる。また、弁座の頂面を円形としたことで、頂面の周方向にわたって一様な面圧を得ることができ、確実に漏れを抑えることができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央に穴のあいた膜状の弁体と、流体の流れを受けて弁体が当接したとき弁体の穴を塞ぐ弁座と、を有する一方向弁であって、
弁体の穴の外接円の直径は２ｍｍ以下で、
弁座の座面は、当該一方向弁が閉鎖状態にあるとき、弁体が接する円環状の接触部を有し、
弁体外形の内接円の直径と弁体の厚さの比が１００以上である、
一方向弁。
【請求項２】
請求項１に記載の一方向弁であって、弁体外形の内接円の直径と弁体の厚さの比が１５０以上である、一方向弁。
【請求項３】
請求項１または２に記載の一方向弁であって、前記弁座の座面は平面であって円形であり、この円形の縁が、前記弁体が接する円環状の接触部となる、一方向弁。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の一方向弁であって、弁体の穴は円形である、一方向弁。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の一方向弁であって、弁体の外形は円形である、一方向弁。
【請求項６】
中央に穴のあいた膜状の弁体と、流体の流れを受けて弁体が当接したとき弁体の穴を塞ぐ弁座と、を有する一方向弁であって、
弁体の穴の外接円の直径は２ｍｍ以下で、弁座の座面は円形であり、
当該一方向弁が閉鎖し、逆流を阻止している状態において、弁体が前記弁座の座面の円形の縁に線接触する、
一方向弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れる流路に設けられ、流れを受けて運動する膜状の弁体を有する一方向弁に関し、特に、微少流量を取り扱う系に設けられた一方向弁の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体微細加工技術を応用したマイクロマシニング技術を用いて、シリコン基板上に形成した超小型ポンプ（マイクロポンプ）が知られている。このようなマイクロポンプとして、ダイアフラムポンプが用いられることが多い。ダイアフラムポンプなど往復動ポンプにおいては、ダイアフラム、ピストン等の往復運動子の運動により容積が増減するポンプ室に通じる二つの流路に一方向弁を設け、流れの向きを制御する。この一方向弁は、受動的に動作するものとすることができる。具体的には、ポンプのダイアフラムが発生する流れを受けて、移動する弁体を有し、順方向の流れを受けた場合は、弁体が流路を開放するように動き、逆方向の流れを受けた場合は、弁体が流路を閉鎖するように動くものとすることができる。ポンプ室に通じる二つの流路のうち、一つの流路の一方向弁は、ポンプ室に向かう流れを許容し、逆の流れを阻止し、もう一つの流路の弁は、ポンプ室から出る流れを許容し、逆の流れを阻止するように配置される。
【０００３】
マイクロポンプではない通常の大きさのポンプにあっては、一方向弁は、弁体にボール等を用いたものが適用され、性能的にも十分なものが得られる。しかしながら、マイクロポンプにおいては、サイズが非常に小さいために、ボール式などは、製造が事実上不可能である。また、ボールが流体より圧力を受ける受圧面の面積が小さく、また流量そのものも少量であるため、ボールが十分の動作をしないと考えられる。そこで、マイクロポンプに膜状の弁体を有する一方向弁を用いることが試みられている（下記非特許文献１参照）。この形式の一方向弁は、中心に小さな穴が開いた膜状の弁体を流れを遮るようにして配置し、穴に対応する位置に弁座を設けられており、流体の流れを受けて弁体が移動して穴を開放したり、閉鎖したりすることで機能する。マイクロポンプ等に用いられる一方向弁の大きさは、おおよそ、その弁体の外径で、数ｍｍ以下である。
【０００４】
【非特許文献１】ジョージ  エム  ホワイトサイズなど（George M. Whitesides）、可撓性ポリマ製３次元マイクロ流路システムのための一体形成された受動バルブとポンプの設計および製造（Design and Fabrication of Integrated Passive Valves and Pumps for Flexible Polymer 3-Dimensional Microfluidic System）、バイオメディカル・マイクロデバイス（Biomedical Microdevices）、アメリカ、クルーワー・アカデミック・パブリッシャーズ（Kluwer Academic Publishers）、２００２年刊、１１７−１２１ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マイクロポンプなどマイクロマシンが取り扱う流量は微量であり、わずかな流量では、一方向弁の弁体を移動させる圧力も十分に発生せず、弁体が弁座に十分に密着しない。このため、一方向弁が逆方向の流れを十分に阻止できないという問題がある。また、取り扱う流量がわずかであるため、漏れ流量がわずかであっても、割合としては無視できない量となり、ポンプ等の効率を低下させる。
【０００６】
本発明は、マイクロマシン等に用いられる一方向弁の漏れを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一方向弁は、中央に穴のあいた膜状の弁体と、流体の流れを受けて弁体が当接したとき弁体の穴を塞ぐ弁座と、を有する一方向弁であって、弁体の穴の外接円の直径は２ｍｍ以下で、弁座の座面は、当該一方向弁が閉鎖状態にあるとき、弁体が接する円環状の接触部を有し、弁体外形の内接円の直径と弁体の厚さの比が１００以上である。
【０００８】
弁座の座面は平面とし、また円形とすることが好ましく、この円形の縁が弁が閉鎖状態にあるとき弁体が接する接触部となる。
【０００９】
弁体の穴の形状は、多角形、特に正多角形でよく、円形でもよい。多角形の穴の場合、その穴の外接円をもって、穴の大きさを規定する。円形の場合には、円と外接円が一致すると考えて、円の直径により穴の大きさを示す。また、弁体は、多角形、特に正多角形でよく、円形であってもよい。多角形の場合、内接円をもって、弁体の大きさを規定する。円形の場合は、円と内接円が一致すると考えて、円の直径により弁体の大きさを規定する。
【００１０】
さらに、弁体外形の内接円の直径と弁体の厚さの比が、１５０以上であることが好ましい。
【００１１】
本発明の他の態様の一方向弁は、中央に穴のあいた膜状の弁体と、流体の流れを受けて弁体が当接したとき弁体の穴を塞ぐ弁座と、を有する一方向弁であり、弁体の穴の外接円の直径は２ｍｍ以下で、弁座の座面は円形であり、当該一方向弁が閉鎖し、逆流を阻止している状態において、弁体が前記弁座の座面の円形の縁に線接触するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態の一方向弁１０の概略構成を示す断面図である。図１において、一方向弁１０より下側が上流側となる流路（以下、上流流路１２と記す）であり、上側が下流側となる流路（以下、下流流路１４）である。一方向弁１０は、流路を横切るように配置される膜状の弁体１６と、この弁体との間にキャビティ１８を形成する隔壁２０を含む。弁体１６は、外形が直径Ｄの円形であり、中心に円形の弁穴２２が形成されている。弁穴の直径は、マイクロポンプなどマイクロマシンに用いられる場合、数ｍｍ以下であり、特に０．５ｍｍ以下で用いられることが多い。一方、隔壁２０には、下流流路１２とキャビティ１８を連通する連通孔２４と、弁穴２２に対向する位置に弁座２６が設けられている。弁体１６が弁座２６に当接しているときは、弁穴２２が弁座２６によって塞がれる、弁体１６が移動して弁座２６から離れると、弁穴２２が開放され弁座と弁体の隙間および弁穴を通って流体が流れる。弁座２６は、その頂面、すなわち弁体１６が当接する面（座面）が直径ｄ１の円形となっている（図２参照）。
【００１３】
図２は、キャビティ１８内の概略を示す図である。キャビティ内が見えるように弁体１６を省略して示している。外形円形のキャビティ１８の中央に、弁座２６が突出して設けられており、その頂面が円形となっている。
【００１４】
図３は、流体が上流流路１２から下流流路１４へ流れるときの弁体１６と弁座２６の関係を示す、弁穴および弁座周囲の拡大図である。弁体１６は、流体の流れを受けて、その圧力により図に示すように上方に移動し、弁座２６との間に隙間が形成される。これにより弁穴２２が開放され、隙間と弁穴を通って流体が流れる。
【００１５】
一方、図４は、流体が下流流路１４から上流流路１２に流れようとしたときの弁体１６と弁座２６の関係を示す、弁穴および弁座周囲の拡大図である。弁体１６は、下流流路１４からの流れを受けて弁座２６に当接し、これにより弁穴２２が弁座２６により閉鎖されて逆方向の流れが阻止される。このとき、弁体１６は、流体の圧力を受けて撓む。この撓みの様子は、弁体の外周と、弁座２６で支持されて、その間で、下方に凸となるように撓む。このように撓みが生じると、弁体１６が弁座２６の頂面の縁に線接触するようになり、この円環状の接触部分の面圧が高くなる。弁座２６の頂面を円形としていることで、全周にわたって均一に高い面圧を発生することができ、確実に漏れを抑えることができる。
【００１６】
前述の撓みの効果がより顕著になるのは、弁体１６の外径Ｄが大きく、厚さｔが薄いときであると考えられる。これは、弁体１６の外径Ｄが大きければ、流体の圧力を受ける面積が大きくなり、弁体と弁座の接触部分面圧を高めることができ、また厚さｔが薄いと撓みが生じやすく、弁体と弁座の接触部分が線接触となりやすいと考えられるからである。
【００１７】
図５は、弁体の外径Ｄと厚さｔの比（Ｒ＝Ｄ／ｔ）と、漏れ流量の関係を示す図である。弁体の材質は単結晶シリコン、弁座の材質はガラス、弁穴の直径は２００μｍ、円形弁座の直径は５００μｍ、逆方向から係る圧力を１０ｋＰａ、流体は水として得たデータであり、図中「○」で示されている。また、図５には、比較のために、弁座の形状が一辺５００μｍの正方形の場合のデータが「◇」で示されている。
【００１８】
弁座が正方形の場合は、比Ｒが大きくなるに従って、漏れ流量は徐々に減少しているが、大きな変化はない。一方弁座が円形の場合は、Ｒが１００未満では、正方形の場合と同程度の漏れが生じているが、Ｒが１００以上となると急激に漏れ流量が減少し、１５０付近から、正方形の弁座の場合に比べて、漏れ流量が１割以下と、極めて少量に抑えられていることが分かる。すでに述べたように、弁座の頂面が円形であると、弁体がその円周に線接触するときに、周方向にわたって一様な面圧が発生するため、漏れが少なくなると考えられる。正方形の場合、正方形の頂点部分に高い面圧が作用する一方、辺の中点付近では、面圧が不足し、ここで漏れが生じるものと考えられる。また、弁体の外径と厚さの比Ｒが小さいときは、弁体１６が十分に撓まず、弁座の縁に線接触した状態が形成されないためであると考える。
【００１９】
また、弁体の撓み量は、直径、厚さの他に縦弾性係数Ｅ、弁体が受ける圧力ｐにも影響されるが、その割合は小さい。例えば、周辺を固定した円板の中心の撓み量ωは、
ω＝0.171ｐａ4／Ｅｔ3
で表されることが知られている。ここで、ａは円板の半径、ｔは円板の厚さである。このように、周辺を固定した円板の剛性は、半径すなわち直径の４乗に比例し、厚さの３乗に反比例するのに対し、縦弾性係数Ｅ、圧力ｐについては１乗に反比例および比例するのみである。上式は、円板の中心の撓みを示す式であるが、本発明の弁体のように中心に穴のあいた円板であっても、同様の傾向が現れると考えられ、上述のように、弁体の撓み量は、縦弾性係数、圧力に比して、直径、厚さに大きく影響を受けると考えられる。また、マイクロマシンに用いられる材料の縦弾性係数は大きく違うことはなく、これらを考慮すれば、縦弾性係数の影響は小さいものと考えられる。なお、マイクロマシンに用いられる材料は、シリコンの他に、ステンレス鋼、アルミニウムおよびその合金や、ポリカーボネイトなどの樹脂材料がある。また、マイクロマシンで扱う圧力についても、さほど大きな圧力ではないので、圧力の影響も小さいものと考えられる。
【００２０】
また、弁体１６と弁座２６が線接触であることにより、弁座２６上にゴミがあってもこれに弁体１６が接触しにくく、ゴミが挟まって隙間が生じ、漏れが発生することを抑制することができる。また、弁体の外形が大きいことで、受圧面積が大きくなり、順方向の流れの場合にも弁体のリフト量が大きくなり、弁体１６と弁座２６の隙間が大きくなり、流路抵抗が減少する。
【００２１】
なお、弁体が、弁座に線接触して着座するためには、図６の断面図に示すように、頂部が尖った円環状の弁座１２６を用いてもよい。また、円形の弁座の頂面をやや窪ませて、円形の周縁のみが弁体に接するようにしてもよい。しかしながら、本実施形態のように、弁体の撓みを利用すれば、弁座の頂面を平面加工するだけで、弁体との線接触を達成でき、製造が容易となる。
【００２２】
以上のように、弁座の頂面の形状を円形とすることで、漏れ流量を減少させることができるが、弁体の穴、外形は円形でなくてもよい。穴は正多角形でよく、この場合、円形の場合の直径相当する寸法は、正多角形の外接円の直径とする。この外接円より内側の部分は、弁体の剛性への寄与が少なく、弁体の撓みに寄与するのは、外接円より外側の部分と考えられる。正多角形の場合であっても、応力集中を避けるために、角には丸みを持たせるのが好ましい。また、弁体の外形も円形でなくてよい。弁体も、正多角形が好ましく、円形の場合の直径に相当する寸法は、正多角形の内接円の直径とする。この内接円より外側の部分は、弁体の剛性への寄与が少なく、弁体の撓みに主に寄与するのは、内接円内側の部分であると考えられるからである。
【００２３】
図７には、ガラス製基板上に形成された往復動マイクロポンプなどに適用可能な一方向弁３０の形態を示す断面図である。ガラス製の基板３２には、外形が円形の下キャビティ３４が所定の深さでエッチングされている。下キャビティ３４の中央には、頂面が円形の弁座３６が突設されており、この弁座３６の頂面と基板３２の上面は同一平面上にあるか、または弁座３６の頂面が基板３２の上面より上方に若干突出している。弁座頂面が突出している場合、弁体が弁座に着座したとき、弁体の弾性によって弁体自身を弁座に当接させる力が働き、弁の閉鎖状態において、より確実に逆流を防止することができる。図８は、基板３２の上面の様子を示す斜視図である。図７によく示されてるように、基板３２には、下キャビティ３４と同時にエッチングされて形成された二つの流路が設けられており、下キャビティ３４と連通しているのが上流流路３８であり、もう一方、基板３２上に形成された他の要素へ続く接続流路４０である。
【００２４】
基板３２の上面には、シリコン製の薄板４２が接合されている。この薄板４２の、キャビティ３４を覆って対向する部分が膜状の弁体４４となる。また、薄板の、弁座３６に対向する位置には穴が設けられており、これが弁穴４６となる。薄板４２の、接続流路４０に対向する部分の一部には、連通孔４８が設けられている。
【００２５】
薄板４２の上には、さらに、シリコン製の上板５０が接合されており、ここには下キャビティ３４と対向するように上キャビティ５２がエッチングされて形成されている。弁体４４は、二つのキャビティ３４，５２で囲まれた空間内で、膜が撓むようにして往復運動し、これにより弁穴４６が開放、閉鎖される。上キャビティ５２には、これと同時にエッチングされて下流流路５４が設けられている。前述の連通孔４８は、この下流流路５４と接続流路４０を連通するために設けられている。
【００２６】
流体が、上流流路３８から下流流路５４へ向けて順方向に流れようとすると、弁体４４は、図７において上に凸となるように撓み、弁体４４と弁座３６が離れる。この隙間と弁穴４６を通って、流体が下キャビティ３４から上キャビティ５２に流れ、下流流路５４さらに接続流路４０へと流れる。逆方向に流れようとした場合、上キャビティ５２内の流体は弁体４４を弁座３６に当接させるように作用し、これにより弁穴４６は閉鎖され、流体の流れが阻止される。この形態おいても、弁体外形の直径Ｄと弁体の厚さｔの比Ｒを、１００以上、更に好ましくは１５０以上とすることで、漏れ流量の減少が図られる。なお、基板３２、薄板４２、上板５０などを所定の形状に加工する技術として、上述したエッチングの他、比較的大きな一方向弁にあっては、機械加工などを採用することもできる。
【００２７】
図９は、図７，８に示した一方向弁の態様の変形例を示す図である。この例では、図９に示すように、基板１３２には正方形の下キャビティ１３４が形成され、上板５０にもこれに対向して正方形の上キャビティ（不図示）が形成されている。これ以外の構成は、図７，８の形態と同様の構成を有し、その説明は省略する。方形のキャビティを製作する方が容易で、製造面から有利となる場合がある。しかしながら、前述のように弁座３６については円形として、漏れ流量を減少させる。正方形のキャビティ、すなわち弁体が正方形の場合、その内接円１３６の直径を、円形の弁体の場合の直径に対応させて、この内接円の直径と弁体の厚さの比を１００以上、より好ましくは１５０以上とすることで、漏れ流量をわずかなものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施形態の一方向弁の断面図である。
【図２】図１の一方向弁のキャビティ１８内を示す斜視図である。
【図３】流れが順方向のときの弁体の変形の様子を示す図である。
【図４】流れが逆方向のときの弁体の変形の様子を示す図である。
【図５】弁体の径と弁体の厚さ比Ｒと、漏れ流量の関係を示す図である。
【図６】弁体の形状の一例を示す断面図である。
【図７】他の実施形態の一方向弁の断面図である。
【図８】図７の一方向弁の基板上面を示す斜視図である。
【図９】図８の基板に対する変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０，３０  一方向弁、１６，４４  弁体、２２，４６  弁穴、２６，３６  弁座。
【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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