(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の制御をおこなうバルブにおいて、少なくとも二つの流体出入口と、
シリコーン樹脂からなり、前記流体出入口と接続され、内部をセパレータにより少なくとも二つの領域に分割された凹部を有する基板Ａと、
ダイアフラムと、
シリコン基板からなり、ダイアフラムを変形させるアクチュエータを有する基板Ｂから構成され、
前記基板Ａと前記基板Ｂを結合させて、セパレータにより分割された流路を構成し、かつ、
前記基板Ａと前記基板Ｂが結合した状態で、前記ダイアフラムの変形部位が前記セパレータの直上に配置されると共に、
前記ダイアフラムの変形部位の外周が前記基板Ａの凹部の外周よりも内側にあり、かつ、
前記アクチュエータの駆動に伴う前記ダイアフラムの変形により、前記ダイアフラムと前記セパレータの非接触／接触状態が変化し、前記流路の開閉をおこなう構造であり、かつ、
前記基板Ａの前記基板Ｂとの結合部位における接触面が粘着性を有し、前記基板Ａと前記基板Ｂの結合と分離を容易に繰り返しおこなえる構造を有することを特徴とするバルブ。
【請求項２】
前記粘着性の粘着力が、前記基板Ａと前記基板Ｂの結合と分離を繰り返しても、前記流体出入口からの流体の圧力よりも大きい状態で維持されることを特徴とする請求項１記載のバルブ。
【請求項３】
流体の移送をおこなうポンプにおいて、
少なくとも二つの流体出入口と、
シリコーン樹脂からなり、前記流体出入口と接続され、内部をセパレータにより少なくとも三つの領域に分割された凹部を有する基板Ａと、
少なくとも二つのバルブダイアフラムと、
少なくとも一つのポンピングダイアフラムと、
シリコン基板からなり、前記バルブダイアフラムと前記ポンピングダイアフラムを変形させるアクチュエータを有する基板Ｂから構成され、
前記基板Ａと前記基板Ｂを結合させて、セパレータにより分割された流路を構成し、かつ、
前記基板Ａと前記基板Ｂが結合した状態で、前記バルブダイアフラムの変形部位が、前記セパレータの直上に配置されるとともに、
前記バルブダイアフラムと前記ポンピングダイアフラムの変形部位の外周がすべて前記基板Ａの凹部の外周よりも内側にあり、かつ、
前記アクチュエータの駆動に伴う前記バルブダイアフラムの変形により、前記バルブダイアフラムと前記セパレータの非接触／接触状態が変化し、前記流路の開閉をおこなう構造であり、かつ、
前記アクチュエータの駆動に伴う前記ポンピングダイアフラムの変形により、流体の吐出および吸引をおこなう構造であり、かつ、
前記基板Ａの前記基板Ｂとの結合部位における接触面が粘着性を有し、前記基板Ａと前記基板Ｂの結合と分離を容易に繰り返しおこなえる構造を有することを特徴とするポンプ。
【請求項４】
前記粘着性の粘着力が、前記基板Ａと前記基板Ｂの結合と分離を繰り返しても、前記流体出入口からの流体の圧力よりも大きい状態で維持されることを特徴とする請求項３記載のポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は医療分野や分析分野において用いられている、小型でかつ高精度な流体制御をおこなうマイクロバルブやマイクロポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、小型で高精度な流体制御をおこなうポンプとしては、例えば図２の特開平４−６６７８４号に記載されているポンプがある。これは２つの弁１５と流体出入口４の位置関係により、それぞれが一方向バルブとして働く構造となっている。そのため、中央部の圧電素子６に電圧を印加しポンプ内部の容積変化を発生させることによって一方向の送液を実現している。また、ガラス基板１３とシリコン基板１４は陽極接合によって接合されている。
【０００３】
また、図３の特開平５−１６６９号に記載されているマイクロポンプの場合、シリコン基板１４上の酸化膜の犠牲層上に金属またはポリシリコン１６の薄膜を形成し、さらにエッチングによって犠牲層を除去することにより金属またはポリシリコンの逆止弁を構成し、ガラス基板１３上に設けた圧電素子６によりポンプを構成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のマイクロバルブやマイクロポンプにはいくつかの課題があった。図２や図３に示したマイクロポンプの場合、各層が陽極接合などの手法により、強固に接合されているため、両者を取り外すことができなかった。このため不具合が生じた際には全体を交換しなければならなく、コストが高くなるという課題を有していた。また内部に異物が混入した場合、その異物を取り除くことが非常に困難であるという問題点を有していた。また、内部容積やバルブの遮断力などの性能変更をおこなうことも困難であった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロバルブおよびマイクロポンプでは、ダイアフラムをアクチュエータによって変形させるアクチュエータ用基板と、バルブ部、ポンピング部、流路部などを有するカバー用基板が圧着されることによって固定される構造とする。このため、これらの基板を自由に脱着することが可能となり、異物混入の際などにはアクチュエータ用基板とカバー用基板を取り外すことによって、内部の洗浄をおこなうことが可能となる。また、バルブ部分やポンピング部分の容積や形状を変更する際にも、カバー用基板だけを交換すれば良く、アクチュエータ用基板は共通で使用することが可能となる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
［実施の形態１］
本実施の形態ではアクチュエータ用基板としてシリコン基板を用い、カバー用基板としてシリコーン樹脂を用いた場合のマイクロバルブの一例について説明する。
【０００７】
図４は本マイクロバルブの分解図である。マイクロバルブはシリコン基板によるアクチュエータ用基板１とシリコーン樹脂によるカバー用基板２によって構成され、これら２枚の基板は密着した状態で固定される。
【０００８】
まず始めにカバー用基板２について説明する。このカバー用基板２は凹部を有しており、この凹部はセパレータ３によって隔てられた構造となっている。またセパレータ３によって二つに分割された凹部は、それぞれカバー用基板２を貫くように貫通穴が形成されており、この貫通穴がマイクロバルブ内部と外部をつなぐ流体出入口４となる。なお、凹部の形状に関しては特に限定はなく、図５のように円形の凹部を用いても構わない。また流体出入口の位置に関しても特に限定はなく、図６のように流路７がそのまま流体出入口となる構造を用いることも可能である。カバー用基板２はフォトリソグラフィーの技術を用いて型を作成しておき、そこに未硬化のシリコーン樹脂を流し込んだ後に硬化させることによって、任意の形状のものを作成することができる。
【０００９】
続いてアクチュエータ用基板１について説明する。本実施の形態では、まずシリコン基板に対してKOHによる異方性エッチングをおこなう。このエッチングはシリコン基板の裏面からおこない、所望の厚みのダイアフラム５が形成されるまでエッチングを続ける。ただし、シリコン基板の表面はエッチングをおこなわず平坦なままとしておく。ただしダイアフラム５のサイズは、カバー用基板２における凹部（セパレータも含む）と同じかもしくはそれよりも小さくなるようにする。両者のサイズをこのようにした理由については後述する。なお、シリコンの異方性エッチングを用いた場合、ダイアフラムの形状は四角形となるが、リアクティブイオンエッチングなどの等方性エッチングを用いれば、四角形以外の形状のダイアフラムを形成することが可能である。エッチングによって形成されたダイアフラム５には裏面から圧電素子６が接着されており、ダイアフラム５と圧電素子６のユニモルフ構造となっている。この圧電素子６に電圧を印加することによってダイアフラム５を変形させることが可能となる。このダイアフラムの変形に関しては、静電力、磁力、空気圧、形状記憶合金などを用いた各種のアクチュエータによっても実現することが可能であり、圧電素子に限定されるわけではない。またダイアフラムの形成方法にも限定はなく、アクチュエータ用基板の材質もシリコンに限定されるわけではない。
【００１０】
上記のカバー用基板２とアクチュエータ用基板１は、カバー用基板２における凹部の存在する面と、アクチュエータ用基板１のエッチングがおこなわれていない面が接するような状態で圧着される（図７）。この際、カバー用基板１における凹部の中心とアクチュエータ用基板１のダイアフラム５が一致するような状態で、２枚の基板は位置決めされる。カバー用基板２にPDMS（ポリジメチルシロキサン）などの粘着性の高いシリコーン樹脂を用い、アクチュエータ用基板１に平坦度の高いシリコン基板を用いれば、特に物理的な固定をおこなわずとも、両者の間で十分な密着力を得ることができる。この場合、流体出入口４から数キロパスカル程度の圧力を加えたとしても、アクチュエータ用基板１とカバー用基板２の間から流体の漏れが生じてしまうことはない。
【００１１】
また、図８に示すようにホルダ８を用いてアクチュエータ用基板１とカバー用基板２を挟み込むことによって固定する方法もある。ホルダ８はスペーサ９を介し、ねじ１０によって固定されている。アクチュエータ側基板１とカバー用基板２の圧着力は、このスペーサ９の厚みによって調整することが可能である。この場合、単純に密着させただけの場合と比較して、高圧力下においても両基板の間から漏れが生じることはない。さらに、カバー用基板２側のホルダに管路を一体で成形しておくことも可能である。ホルダ８とカバー用基板の間においても高い密着性が得られるため、マイクロバルブ本体との間で漏れのない管路が実現できるようになる。
【００１２】
いずれの場合においても、アクチュエータ用基板１とカバー用基板２は特に接合されているわけではないため、自由に着脱することが可能な構造となっている。なお、カバー用基板２の材質はシリコーン樹脂に限定されるわけではなく、アクチュエータ用基板１と密着性が良く、かつ着脱が可能な材質ならばどのようなものを用いても構わない。
【００１３】
また、カバー用基板とアクチュエータ用基板が、両者とも密着性を有さない物質で構成されている場合においても、カバー用基板１とアクチュエータ用基板２の接触面の少なくとも一方に粘着性の薄膜を形成することによって、両者が脱着可能で、かつ高い密着性を有する構造とすることもできる。また両基板の間に熱可塑性の接着層を用い、加熱／冷却により両基板の着脱が可能な構造とすることもできる。
【００１４】
両基板の位置決めを繰り返し、高精度でおこなうために、両基板にはアライメントマークが設置してある。また、少なくとも一方の基板、もしくはホルダにガイドを形成しておくことによっても、高精度な位置決めを繰り返しおこなうこともできる。
【００１５】
続いて、このマイクロバルブの動作について説明する。図７ですでに示したとおり、本マイクロバルブはアクチュエータ用基板１とカバー用基板２は密着した状態となっているため、セパレータ３とダイアフラム５も同様に密着した状態となっている。このため、圧電素子に電圧を印加していなければ、二つの流体出入口４はセパレータ３によって遮断された状態となっているため、一方の流体出入口から圧力を加えたとしても流れが生じることはなく、閉じた状態が保たれる。
【００１６】
一方、圧電素子６に電圧を印加すると、圧電素子６とダイアフラム５のユニモルフ構造によってダイアフラム５がたわみ、ダイアフラム５とセパレータ３の間に間隙が生じる。この間隙を流体が移動することによって、バルブが開いた状態が実現される（図９）。すなわちセパレータ３は一種のパッキンとして機能することになる。
【００１７】
このように、本バルブは電圧印加によって開き、電圧印加を停止することによって開くという動作をする。また、圧電素子に印加する電圧の向きを逆にすることによって、セパレータにダイアフラムを押しつけ、より強固にマイクロバルブを閉じるという動作も可能である。
【００１８】
最後にダイアフラムとくぼみ部分の大きさの関係について説明する。前述したように、ダイアフラムのサイズは、カバー用基板における凹部（セパレータも含む）と同じかもしくはそれよりも小さくなっている。すなわち、エッチングされてダイアフラムとなっている部分を、カバー用基板における凹部（セパレータも含む）が覆うような形になっている。この場合、図９ですでに示したようにダイアフラムが下向きに変形したとしても、凹部の周縁がアクチュエータ用基板１からはがれてしまうことがない。このためマイクロバルブ内部の流体がアクチュエータ用基板とカバー用基板の間から外部に漏れることはない。
【００１９】
逆に、図１０に示すようにダイアフラム５の面積がカバー用基板２の凹部よりも大きい場合、ダイアフラム５が下向きに変位すると、凹部の周縁においてダイアフラム５とカバー用基板２の間に剥離が生じる。この状態で流体出入口４から圧力がかかった場合、アクチュエータ用基板１とカバー用基板２を引き剥がす方向に圧力が加わるため、両基板の間から流体が漏れやすくなるという問題点がある。このため、本発明におけるマイクロバルブでは、ダイアフラム５よりカバー用基板２における凹部が大きくなるように設計をおこなう。
【００２０】
上記のように、本発明におけるマイクロバルブは電圧を印加しない非駆動時において、閉じた状態が保持されるような構造となっている。このため、流体入口側と出口側の間で圧力差が存在するような状況でも、まったくエネルギの消費をすることなく流体を保持しておくことができる。さらに、カバー用基板とアクチュエータ用基板をホルダによって、スペーサを介して固定する場合は、そのスペーサの厚みによってカバー用基板とアクチュエータ用基板の圧着力を調整することができるため、スペーサの厚みを選択することによって、非駆動時における流体保持力を任意に設定することが可能となる。
【００２１】
管路が一体成形されているホルダを用いれば、マイクロバルブにおける管路作成も同時に実現され、工程が簡略化されるという利点も有している。ホルダとカバー用基板も圧着されているため、漏れのない管路形成が可能となる。
【００２２】
また、カバー用基板とアクチュエータ用基板が接着されていない構造となっているため、両者の着脱を自由におこなうことが出来る。このため、マイクロバルブ内部に異物が混入した際にカバー用基板をはずし、内部の清掃を容易におこなうことができるという利点を有している。さらにバルブの開閉の繰り返しによってセパレータの劣化などが生じた際には、カバー用基板だけを取り替えることも可能であり、アクチュエータ用基板はそのまま継続して使用することが可能である。このように部分的な交換が可能であるため、マイクロバルブ全体としての長寿命化をはかることができる。
【００２３】
また、マイクロバルブに要求される特性に応じてカバー用基板を交換することも可能である。電圧印加によって本マイクロバルブを開いた場合、印加電圧が一定ならば、その圧力−流量特性はセパレータの幅によって決定される。セパレータ幅が異なるカバー用基板を複数個用意し、それを必要に応じて交換するだけで、異なる圧力−流量特性を有するマイクロバルブを実現することが可能となり、低コスト化も実現される。同時に、アクチュエータの電気配線や制御系に関しても共通のものを使用することが可能であるため、汎用性も高まる。
［実施の形態２］
本実施の形態ではアクチュエータ用基板としてシリコン基板を用い、カバー用基板としてシリコーン樹脂を用いた場合のマイクロポンプの一例について説明する。
【００２４】
図１は本マイクロポンプの分解図である。マイクロポンプはシリコーン樹脂によるカバー用基板２とシリコン基板によるアクチュエータ用基板１によって構成され、これら２枚の基板は密着した状態で固定される。
【００２５】
まず始めにカバー用基板２について説明する。このカバー用基板２には、すでに実施の形態１で説明したマイクロバルブと同じ原理で動作するバルブ部１１が二つ形成されている。これらバルブ部１１の中間には一つの凹部が形成されており、これは流体の吸引および吐出をおこなうためのポンピング部１２として機能する。二つのバルブ部１１およびポンプ部１２は流路７によって接続された構造となっており、バルブ部−ポンピング部−バルブ部の順に直列に配置されている。また、両端のバルブ部にはそれぞれ流体出入口４がもうけられている。図１では流路７の幅はバルブ部１１およびポンピング部１２の幅よりも細くなっている例を示しているが、これらは同じ幅であっても構わない。
【００２６】
続いてシリコン基板によるアクチュエータ用基板１について説明する。シリコン基板には実施の形態１で説明したものと同様のダイアフラム５が三つ形成されており、圧電素子６の接着によってユニモルフ構造となっている。これらのダイアフラムはカバー用基板２におけるバルブ部１１およびポンピング部１２に対応するように配置されている。
【００２７】
アクチュエータ用基板１とカバー用基板２は実施の形態１で示したものと同様の方法で密着させられる。また各要素の加工法、形状、大きさ等に関しても、すべて実施の形態１で説明したものと同じとする。
【００２８】
続いて、本実施の形態におけるマイクロポンプの動作について説明する。二つのマイクロバルブの開閉に関しては実施の形態１に示したとおりである。ポンピング部に関してはダイアフラムと圧電素子のユニモルフ構造によってダイアフラムが変位し、その体積変化によって流体の吐出および吸引がなされる。これら二つのマイクロバルブと一つのポンピング部を一定のシーケンスにそって駆動することにより、一方の流体出入口からもう一方の流体出入口への送液が実現される。このようなマイクロポンプは二つのバルブの開閉とポンピング部の駆動を任意におこなうことが可能であるため、３つのアクチュエータの駆動順序を変えることによって、送液の方向を変えることが可能である。また、本マイクロポンプは実施の形態１で示したマイクロバルブを二つ使用しているため、圧電素子に電圧を印加せずに閉じた状態が保たれる構造となっている。このため、流体入口側と出口側の間で圧力差が存在するような状況でも、まったくエネルギの消費をすることなく流体を保持しておくことができる。
【００２９】
さらに本マイクロポンプは、カバー用基板とアクチュエータ用基板が接着されていない構造となっているため、両者の着脱を自由におこなうことが出来る。このため、マイクロポンプ内部に異物が混入した際にカバー用基板をはずし、内部の清掃を容易におこなうことができるという利点を有している。またバルブの開閉の繰り返しによってセパレータの劣化などが生じた際には、カバー用基板だけを取り替えることも可能であり、アクチュエータ用基板はそのまま継続して使用することが可能である。このように部分的な交換が可能であるため、マイクロポンプ全体としての長寿命化をはかることができる。
【００３０】
一方、マイクロポンプに要求される特性に応じてカバー用基板を交換することも可能である。例えば実施の形態１で示した方法を用いることによってマイクロバルブの特性を変えることも可能であるし、ポンピング部の凹部深さや面積を変えることによって、吸引時や吐出時の特性を変えることも可能である。カバー用基板の交換だけで異なる特性のマイクロポンプが実現できるため、低コスト化も実現される。同時にアクチュエータの電気配線や制御系に関しても共通のものを使用することが可能であるため、汎用性も高まる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のマイクロバルブおよびマイクロポンプでは、アクチュエータ用基板とカバー用基板が着脱可能な構造を用いているため、内部に異物が混入した際には、両者を取り外すことによって洗浄が可能であるという効果を有している。またパラメータの異なる複数のカバー部用基板を用意しておき、必要に応じて交換することによって、異なる特性を有するマイクロバルブまたはマイクロポンプが容易に実現されるようになる。この場合、カバー用基板だけを交換すればよく、アクチュエータ用基板は共通で使用することができるため、低コスト化も実現されるという利点も有している。またアクチュエータの電気配線や制御系に関しても共通のものを使用することが可能であるため、汎用性も高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロポンプの一例を示す分解図である。
【図２】従来のマイクロポンプの構造を示す断面図である。
【図３】従来のマイクロポンプの構造を示す分解図である。
【図４】本発明のマイクロバルブの構造を示す分解図である。
【図５】本発明のマイクロバルブにおけるカバー用基板の一例を示している。
【図６】本発明のマイクロバルブにおけるカバー用基板の一例を示している。
【図７】本発明のマイクロバルブの構造を示す断面図である。
【図８】カバー用基板とアクチュエータ用基板がホルダによって固定されている様子を示す断面図である。
【図９】本発明のマイクロバルブが開いている様子を示す断面図である。
【図１０】カバー用基板における凹部よりもダイアフラムが大きい場合において、マイクロバルブが開いた様子を示す断面図である。
【符号の説明】
１  アクチュエータ用基板
２  カバー用基板
３  セパレータ
４  流体出入口
５  ダイアフラム
６  圧電素子
７  流路
８  ホルダ
９  スペーサ
１０  ねじ
１１  バルブ部
１２  ポンピング部
１３  ガラス基板
１４  シリコン基板
１５  弁
１６  ポリシリコン
【図１】
0004005297.tif 000002
【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】
0004005297.tif 000008
【図８】
0004005297.tif 000009
【図９】
0004005297.tif 000010
【図１０】
0004005297.tif 000011