JP4668635B2

JP4668635B2 - マイクロバルブの流量調節方法

Info

Publication number: JP4668635B2
Application number: JP2005027073A
Authority: JP
Inventors: 聡史玉木; 一喜山本
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2025-02-02
Also published as: JP2006214494A

Description

本発明は、マイクロ全分析システムにおいて、微細流路内の流体を逆流することなく、一方向のみに輸送するマイクロバルブの流量調節方法に関する。

最近、医療診断を患者の近傍で行うベッドサイド診断、大気や水や土壌中の環境汚染材料のモニタリング、食品の安全性検査等現場において短時間に安価に診断したり分析する技術のニーズは非常に高くなってきている。

例えば、従来、高価且つ大型の装置を必要とした分析を、持ち運び可能な小型の分析装置が代替できれば、大病院にしか設置できなかった分析装置を開業医でも設置、利用することが可能になり、診断結果を患者に簡便に早期にフィードバックすることが可能になる。

又、高齢者の健康指標を高齢者の家族が測定し、その健康指標数値を在宅管理したり、病院に定期的に送信して病院で管理することにより、在宅医療環境がより優れたものとなる。

又、環境ホルモン、ダイオキシン等の環境汚染材料を、高価且つ大型装置を使用することなく、簡易測定することができれば、簡単且つ安価に環境診断することができる。更に、持ち運び可能な小型の分析装置を用いて現場で環境汚染材料を分析することができれば、よりきめ細かい安全環境を供出することができる。

このような測定を簡易に行うために、基板内又は基板上に微細流路、輸液ディバイス、反応槽、電気泳動カラム、膜分離機構、流体クロマトグラフカラム、キャピラリーガスクロマトグラフィー（ＣＧＣ）、誘導型プラズマ（ＩＣＰ）、質量分析計（ＭＳ）、電気化学的測定装置等が内臓されたマイクロ全分析システムの研究が盛んになされており、微細流路の開閉や流量調整のためのマイクロバルブの研究も盛んになされている。

例えば、表面に溝を有する部材（Ａ）の溝が形成された面に、０．５〜５００μｍの厚みを有する部材（Ｂ）が接着され、部材（Ａ）の溝と部材（Ｂ）とで幅１〜１０００μｍ、高さ１〜１０００μｍの毛細管状の流路が形成され、該流路の途上に、幅が毛細管状の流路幅の０．５〜１００倍で、該空隙部の最大高さ／最大幅の比が１以下である空隙部が形成されたマイクロ流体デバイスであって、（ｉ）部材（Ａ）の少なくとも空隙部周辺部が引張弾性率０．１ＭＰａ以上、７００ＭＰａ未満の範囲にある素材で形成され、（ｉｉ）部材（Ｂ）の少なくとも空隙部周辺部が、引張弾性率０．７〜１０ＧＰａの範囲にある素材で形成され、かつ厚みが０．５〜５００μｍである、マイクロ流体デバイスの該空隙部を、部材（Ｂ）側から選択的に圧迫することにより、マイクロ流体デバイス内の空隙部の断面積を可逆的に減少させて、空隙部を通過する流体流量を調節するマイクロ流体デバイスの流量調節方法（例えば、特許文献１参照。）が提案されている。
特開２００２−２１９６９７号公報

上記マイクロ流体デバイスの流量調節方法においては、マイクロ流体デバイスの外部からマイクロ流体デバイス内の空隙部に機械的圧力を付加し、空隙部の断面積を可逆的に減少させて、空隙部を通過する流体流量を調節する。

しかしながら、上記流量調節方法では、空隙部が設計通りに変形しない場合、例えば、量産時の材料強度のばらつきや空隙部の形成不良などの場合、弁が閉じなくなる問題点があった。

本発明の目的は、上記欠点に鑑み、マイクロ全分析システムに容易に組み込むことができる簡単な構造で、微細流路内の流体を逆流することなく、一方向のみに輸送するマイクロバルブの流量調節方法を提供することにある。

請求項１記載のマイクロバルブの流量調節方法は、流体排出用の開口部と、下壁に形成されている流体注入用の開口部を有するバルブ室内に、少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が、常に流体注入用の開口部を覆うように収納されているマイクロバルブの、第１の板状基板、バルブ室用の貫通孔ａが打抜かれている第１のスペーサー、バルブ室用の貫通孔ｂが打抜かれ、該貫通孔ｂ内に少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が固定されている第２のスペーサー及び流体注入用の開口部が打抜かれている第２の板状基板が、貫通孔ａ、弁体及び流体注入用の開口部が略一直線になるように、この順に積層されており、第１のスペーサー及び／又は第２のスペーサーに、該スペーサーのバルブ室用の貫通孔ａ及び／又はｂから側壁に連通する流体排出用の貫通孔が打抜かれているマイクロバルブの第１の板状基板に、貫通孔ａ、弁体及び流体注入用の開口部と略一直線になるようにピエゾ素子を設置し、ピエゾ素子で第１の板状基板を押圧することにより弁体を第２の板状基板方向に押圧し、流体注入用の開口部を閉鎖することを特徴とする。

請求項１記載のマイクロバルブの流量調節方法を図面を参照して説明する。図１は請求項１記載のマイクロバルブの流量調節方法で使用されるマイクロバルブの一例を示す断面図であり、図２は平面図である。

図中１はマイクロ全分析システムであり、マイクロ全分析システム１内に平面視長方形のバルブ室２が形成されている。バルブ室２の下壁２１の略中心付近に流体注入用の開口部４が形成され、マイクロ全分析システム１の外部あるいはマイクロ全分析システムのその他の部分から連通されている。

バルブ室２内には、一端（図１において右側の端部）がバルブ室２の端部に固定され、他端部（図１において左側の端部）が遊端となされている長方形の板状の弁体３が流体注入用の開口部４を覆うように収納されている。

尚、弁体３の厚さは、流体注入用の開口部４から流体が注入された際に弁体３の遊端が浮かないとバルブ室２内に流体が注入できないので、バルブ室２の深さより薄くなされている。

又、流体注入用の開口部４及び弁体３の上方のマイクロ全分析システム１には、ピエゾ素子６が設置されており、ピエゾ素子６でバルブ室２の上壁２２を下壁２１方向に押圧することにより、弁体３を流体注入用の開口部４に押圧し、流体注入用の開口部４を閉鎖することができるようになされている。

尚、図１においては、マイクロ全分析システム１のピエゾ素子６を設置するべき位置にピエゾ素子設置用の穴が穿設されており、該穴にピエゾ素子６が嵌合されて設置されている。

又、５はバルブ室２の下壁２１の弁体３が存在しない位置に設けられた流体排出用の開口部５であり、マイクロ全分析システム１の外部あるいはマイクロ全分析システムのその他の部分に連通されている。

従って、流体注入用の開口部４から流体を注入すると、弁体３の遊端が浮上して流体はバルブ室２に注入され、流体排出用の開口部５から排出される。流体注入用の開口部４からの流体の注入を止めるには、ピエゾ素子６を作動させ、上壁２２を押圧することにより、弁体３を流体注入用の開口部４に押圧し、流体注入用の開口部４を閉鎖することにより行う。ピエゾ素子６を作動させることにより、流体注入用の開口部４を閉鎖して流体の注入を止めるのであるから必要なときに確実に流体の注入を止めることができ、又、流体が逆流することがない。

上記バルブ室２及び弁体３の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、円形、楕円形、三角形、正方形、長方形、六角形、長円形等が挙げられる。又、流体注入用の開口部４及び流体排出用の開口部５の形状も、特に限定されるものではなく、例えば、円形、楕円形、三角形、正方形、長方形、六角形、長円形等が挙げられ、流体注入用の開口部４及び流体排出用の開口部５の直径は微細なので、レーザー加工、マシニング等の微細加工や各種精密成型技術で形成するのが好ましく、従って断面形状は円形が好ましい。

尚、流体排出用の開口部５はバルブ室２の上壁２２又は側壁に設けられてもよい。又、流体注入用の開口部４及び流体排出用の開口部５は、マイクロ全分析システム１内の微細流路に接続されてよいことは言うまでもない。

マイクロ全分析システムは、一般に、板状基板やスペーサーを積層し、板状基板の間に微細流路、マイクロバルブ、反応槽、測定槽等を形成することにより製造されており、本発明で使用されるマイクロバルブも板状基板やスペーサーを積層することにより製造される。

図３は請求項１記載のマイクロバルブの流量調節方法で使用されるマイクロバルブの一例を示す分解図である。

図中７は、バルブ室用の貫通孔ａ２３及び流体排出用の貫通孔５１のふたをする第１の板状基板であり、ピエゾ素子設置用の穴６１が穿設されている。８は、第１の板状基板７より薄く、略長方形のバルブ室用の貫通孔ａ２３及びバルブ室用の貫通孔ａ２３の端部から外部に連通する流体排出用の貫通孔５１が打抜かれている第１のスペーサーである。

９は、第１の板状基板より薄く、１端部が遊端である板状の弁体３を残して、略長方形のバルブ室用の貫通孔ｂ２４及びバルブ室用の貫通孔ｂ２４の端部から外部に連通する流体排出用の貫通孔５２が打抜かれている第２のスペーサーである。

バルブ室用の貫通孔ａ２３とバルブ室用の貫通孔ｂ２４は同一の大きさであり、第１のスペーサー８と第２のスペーサー９を積層すると、バルブ室用の貫通孔ａ２３とバルブ室用の貫通孔ｂ２４が重ね合わされるように打抜かれている。又、流体排出用の貫通孔５１と流体排出用の貫通孔５２も同一の大きさであり、第１のスペーサー８と第２のスペーサー９を積層すると、流体排出用の貫通孔５１と流体排出用の貫通孔５２が重ね合わされるように打抜かれている。更に、第１の板状基板７と第２のスペーサー９を積層すると、ピエゾ素子設置用の穴６１と弁体３が略一直線になるように打抜かれている。

１０は略円形の流体注入用の開口部４が打抜かれている第２の板状基板であり、第２の板状基板１０と第２のスペーサー９を積層すると、流体注入用の開口部４は弁体３の下に位置するように打抜かれている。

第１の板状基板７、第１のスペーサー８、第２のスペーサー９及び第２の板状基板１０をこの順に積層すると、バルブ室用の貫通孔ａ２３とバルブ室用の貫通孔ｂ２４が重ね合わされ、第１の板状基板７と第２の板状基板１０で囲まれてバルブ室２が形成されると共に、バルブ室２内に１端部が遊端である板状の弁体３が固定される。更に、流体排出用の貫通孔５１と流体排出用の貫通孔５２が重ね合わされ、第１の板状基板７と第２の板状基板１０で囲まれて、流体排出用の開口部５が形成される。

又、ピエゾ素子設置用の穴６１、弁体３及び流体注入用の開口部４が略一直線になるように積層される。従って、第２の板状基板１０の流体注入用の開口部４からバルブ室２を通過して流体排出用の開口部にむけて流体が流れるマイクロバルブが形成される。

又、流体注入用の開口部４からの流体の注入を止めるには、ピエゾ素子６をピエゾ素子設置用の穴６１に設置し、作動させ、第１の板状基板７を押圧することにより、弁体３を流体注入用の開口部４に押圧し、流体注入用の開口部４を閉鎖すればよい。ピエゾ素子４を作動させることにより、流体注入用の開口部４を閉鎖して流体の注入を止めるのであるから必要なときに確実に流体の注入を止めることができ、逆流することもない。

請求項２記載のマイクロバルブの流量調節方法は、流体排出用の開口部と、下壁に形成されている流体注入用の開口部を有するバルブ室内に、少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が、常に流体注入用の開口部を覆うように収納されているマイクロバルブの、第１の板状基板、バルブ室用の貫通孔ａが打抜かれている第１のスペーサー、バルブ室用の貫通孔ｂが打抜かれ、該貫通孔ｂ内に少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が複数固定されている第２のスペーサー並びに該弁体と同数の流体注入用の開口部及び流体排出用の貫通孔が打抜かれている第２の板状基板が、貫通孔ａ、各弁体及び各流体注入用の開口部が略一直線になるように、この順に積層されているマイクロバルブの第１の板状基板に、貫通孔ａ、各弁体及び各流体注入用の開口部とがそれぞれ略一直線になるように複数のピエゾ素子を設置し、各ピエゾ素子で第１の板状基板を押圧することにより各弁体を第２の板状基板方向に押圧し、各流体注入用の開口部を閉鎖することを特徴とする。

請求項２記載のマイクロバルブの流量調節方法を図面を参照して説明する。図４は請求項２記載のマイクロバルブの流量調節方法で使用されるマイクロバルブの一例を示す分解図である。

図中７は、バルブ室用貫通孔ａ２３のふたをする第１の板状基板であり、２個のピエゾ素子設置用の穴６１、６２が穿設されている。８は、第１の板状基板７より薄く、略長方形のバルブ室用の貫通孔ａ２３が打抜かれている第１のスペーサーである。

９は、第１の板状基板７より薄く、１端部が遊端である板状の弁体３１及び３２を残して、略長方形のバルブ室用の貫通孔ｂ２４が打抜かれている第２のスペーサーであり、バルブ室用の貫通孔ａ２３とバルブ室用の貫通孔ｂ２４は同一の大きさであり、第１のスペーサー８と第２のスペーサー９を積層すると、バルブ室用の貫通孔ａ２３とバルブ室用の貫通孔ｂ２４が重ね合わされるように打抜かれている。

又、第１の板状基板７と第２のスペーサー９を積層すると、ピエゾ素子設置用の穴６１と弁体３１が略一直線になり、ピエゾ素子設置用の穴６２と弁体３２が略一直線になるように打抜かれている。

１０は、略円形の流体注入用の開口部４１、４２及び流体排出用の開口部５が打抜かれている第２の板状基板であり、第２の板状基板１０と第２のスペーサー９を積層すると、流体注入用の開口部４１は弁体３１の下に位置し、流体注入用の開口部４２は弁体３２の下に位置し、流体排出用の開口部５はバルブ室用の貫通孔ｂ２４に連通するように打抜かれている。

第１の板状基板７、第１のスペーサー８、第２のスペーサー９及び第２の板状基板１０をこの順に積層すると、バルブ室用の貫通孔ａ２３とバルブ室用の貫通孔ｂ２４が第１の板状基板７と第２の板状基板１０で囲まれてバルブ室２が形成されると共に、バルブ室２内に１端部が遊端である板状の弁体３１及び３２が固定される。

又、ピエゾ素子設置用の穴６１、弁体３１及び流体注入用の開口部４１が略一直線になり、ピエゾ素子設置用の穴６２、弁体３２及び流体注入用の開口部４２が略一直線になるように積層され、第２の板状基板１０の流体注入用の開口部４１からバルブ室２を通過して第２の板状基板１０の流体排出用の開口部５にむけて流体が流れると共に第２の板状基板１０の流体注入用の開口部４２からバルブ室２を通過して第２の板状基板１０の流体排出用の開口部５にむけて流体が流れるマイクロバルブが形成される。従って、流体注入用の開口部４１と流体注入用の開口部４２を異なる流体源に接続することにより、異なる流体を能動的、選択的に流通させることができる。また、２つ以上の開口部を同時に開くことにより、２液以上を簡便に混合すると共に混合比を変えて供給することもできる。

又、流体注入用の開口部４１又は／及び４２からの流体の注入を止めるには、ピエゾ素子をピエゾ素子設置用の穴６１又は／及び６２に設置し、作動させ、第１の板状基板７を押圧することにより、弁体３１又は／及び３２を流体注入用の開口部４１又は／及び４２に押圧し、流体注入用の開口部４１又は／及び４２を閉鎖すればよい。

ピエゾ素子設置用の穴６１又は／及び６２に設置されたピエゾ素子を作動させることにより、流体注入用の開口部４１又は／及び４２を閉鎖して流体の注入を止めるのであるから必要なときに確実に流体の注入を止めることができ、逆流することもない。

請求項３記載のマイクロバルブの流量調節方法は、流体排出用の開口部と、下壁に形成されている流体注入用の開口部を有するバルブ室内に、少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が、常に流体注入用の開口部を覆うように収納されているマイクロバルブの、第１の板状基板、バルブ室用の貫通孔ａが打抜かれている第１のスペーサー、バルブ室用の貫通孔ｂが打抜かれ、該貫通孔ｂ内に少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が複数固定されている第２のスペーサー及び該弁体と同数の流体注入用の開口部が打抜かれている第２の板状基板が、貫通孔ａ、各弁体及び各流体注入用の開口部が略一直線になるように、この順に積層されており、第１のスペーサー及び／又は第２のスペーサーに、該スペーサーのバルブ室用の貫通孔ａ及び／又はｂから側壁に連通する流体排出用の貫通孔が打抜かれているマイクロバルブの第１の板状基板に、貫通孔ａ、各弁体及び各流体注入用の開口部とがそれぞれ略一直線になるように複数のピエゾ素子を設置し、各ピエゾ素子で第１の板状基板を押圧することにより各弁体を第２の板状基板方向に押圧し、各流体注入用の開口部を閉鎖することを特徴とする。

請求項３記載のマイクロバルブの流量調節方法を図面を参照して説明する。図５は請求項３記載のマイクロバルブの流量調節方法で使用されるマイクロバルブの一例を示す分解図である。

図中７は、バルブ室用の貫通孔ａ２３及び流体排出用の貫通孔５１のふたをする第１の板状基板であり、３個のピエゾ素子設置用の穴６１、６２、６３が穿設されている。８は、第１の板状基板７より薄く、略長方形のバルブ室用の貫通孔ａ２３及びバルブ室用の貫通孔ａ２３の端部から外部に連通する流体排出用の貫通孔５１が打抜かれている第１のスペーサーである。

９は、第１の板状基板７より薄く、１端部が遊端である板状の弁体３１、３２、３３を残して、略長方形のバルブ室用の貫通孔ｂ２４及びバルブ室用の貫通孔ｂ２４の端部から外部に連通する流体排出用の貫通孔５２が打抜かれている第２のスペーサーである。

バルブ室用の貫通孔ａ２３とバルブ室用の貫通孔ｂ２４は同一の大きさであり、第１のスペーサー８と第２のスペーサー９を積層すると、バルブ室用の貫通孔ａ２３とバルブ室用の貫通孔ｂ２４が重ね合わされるように打抜かれている。

又、流体排出用の貫通孔５１と流体排出用の貫通孔５２も同一の大きさであり、第１のスペーサー８と第２のスペーサー９を積層すると、流体排出用の貫通孔５１と流体排出用の貫通孔５２が重ね合わされるように打抜かれている。

更に、第１の板状基板７と第２のスペーサー９を積層すると、ピエゾ素子設置用の穴６１と弁体３１、ピエゾ素子設置用の穴６２と弁体３２及びピエゾ素子設置用の穴６３と弁体３３がそれぞれ一直線になるように打抜かれている。

１０は、略円形の流体注入用の開口部４１、４２、４３が打抜かれている第２の板状基板であり、第２の板状基板１０と第２のスペーサー９を積層すると、流体注入用の開口部４１と弁体３１、流体注入用の開口部４２と弁体３２及び流体注入用の開口部４３と弁体３３がそれぞれ一直線になるように打抜かれている。

第１の板状基板７、第１のスペーサー８、第２のスペーサー９及び第２の板状基板１０をこの順に積層すると、バルブ室用の貫通孔ａ２３とバルブ室用の貫通孔ｂ２４が重ね合わされ、第１の板状基板７と第２の板状基板１０で囲まれてバルブ室２が形成されると共に、バルブ室２内に１端部が遊端である板状の弁体３１、３２、３３が固定される。更に、流体排出用の貫通孔５１と流体排出用の貫通孔５２が重ね合わされ、第１の板状基板７と第２の板状基板１０で囲まれて、流体排出用の開口部５が形成される。

又、ピエゾ素子設置用の穴６１と弁体３１と流体注入用の開口部４１、ピエゾ素子設置用の穴６２と弁体３２と流体注入用の開口部４２及びピエゾ素子設置用の穴６３と弁体３３と流体注入用の開口部４３がそれぞれ略一直線になるように積層される。

従って、第２の板状基板１０の流体注入用の開口部４１、４２、４３からバルブ室２を通過して第１のスペーサー８及び第２のスペーサー９の流体排出用の開口部にむけて流体が流れるマイクロバルブが形成される。流体注入用の開口部４１と流体注入用の開口部４２と流体注入用の開口部４３をそれぞれ異なる流体源に接続することにより、異なる流体を混合すると共に混合比を変えて供給することができる。

又、流体注入用の開口部４１、４２又は／及び４３からの流体の注入を止めるには、ピエゾ素子設置用の穴６１、６２又は／及び６３にピエゾ素子を設置し、作動させ、第１の板状基板７を押圧することにより、弁体３１、３２又は／及び３３を流体注入用の開口部４１、４２又は／及び４３に押圧し、流体注入用の開口部４１、４２又は／及び４３を閉鎖すればよい。

ピエゾ素子を作動させることにより、流体注入用の開口部４１、４２又は／及び４３を閉鎖して流体の注入を止めるのであるから必要なときに確実に流体の注入を止めることができ、逆流することもない。

上記弁体３、３１、３２、３３は、第２のスペーサー９を打抜くことにより形成されているが、別途弁体を作成し、その一端をバルブ室２内に固定してもよい。弁体が常に流体注入用の開口部４、４１、４２、４３上に存在するのであれば固定されている必要はなく、浮遊弁体であってもい。

請求項５記載のマイクロバルブの流量調節方法は、流体排出用の開口部と、下壁に形成されている流体注入用の開口部を有するバルブ室内に、少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が、常に流体注入用の開口部を覆うように収納されているマイクロバルブの、第１の板状基板、狭隘部を介して第１のバルブ室と第２のバルブ室が接続されているバルブ室用の貫通孔が打抜かれているスペーサー及び流体注入用の開口部及び流体排出用の貫通孔が打抜かれている第２の板状基板が、第１のバルブ室及び流体注入用の開口部が略一直線になり、第２のバルブ室及び流体排出用の開口部が略一直線になるように、この順に積層されており、第１のバルブ室に常に流体注入用の開口部を覆い、狭隘部を通過しない大きさであって、スペーサーの厚さより薄い浮遊弁体が収納されているマイクロバルブの第１の板状基板に、第１のバルブ室用の貫通孔、浮遊弁体及び流体注入用の開口部と略一直線になるようにピエゾ素子を設置し、ピエゾ素子で第１の板状基板を押圧することにより浮遊弁体を第２の板状基板方向に押圧し、流体注入用の開口部を閉鎖することを特徴とする。

請求項５記載のマイクロバルブの流量調節方法を図面を参照して説明する。図６は請求項５記載のマイクロバルブの流量調節方法で使用されるマイクロバルブの一例を示す分解図である。

図中７は、第１のバルブ室用の貫通孔２５及び第２のバルブ室用の貫通孔２６のふたをする第１の板状基板であり、ピエゾ素子設置用穴６１が穿設されている。８は、第１の板状基板７より薄く、略円形の第１のバルブ室用の貫通孔２５及び第２のバルブ室用の貫通孔２６が打抜かれている第１のスペーサーである。略円形のバルブ室用の貫通孔２５と第２のバルブ室用の貫通孔２６は狭隘部２７を介して接続されている。

９は、第１の板状基板７より薄く、狭隘部２７を介して接続されている略円形の第１のバルブ室用の貫通孔２８及び第２のバルブ室用の貫通孔２９が打抜かれている第２のスペーサーであり、第１のバルブ室用の貫通孔２５と第１のバルブ室用の貫通孔２８は同一の大きさであり、第２のバルブ室用の貫通孔２６と第２のバルブ室用の貫通孔２９は同一の大きさであり、第１のスペーサー８と第２のスペーサー９を積層すると、第１のバルブ室用の貫通孔２５と第１のバルブ室用の貫通孔２８が重ね合わされ第１のバルブ室が形成され、第２のバルブ室用の貫通孔２６と第２のバルブ室用の貫通孔２８が重ね合わされ第２のバルブ室が形成されるように打抜かれている。

３４は、第２のスペーサー９と略同一厚さであり、第１のバルブ室用の貫通孔２８より若干小さい略円形の浮遊弁体である。１０は略円形の流体注入用の開口部４及び流体排出用の開口部５が打抜かれている第２の板状基板であり、第２の板状基板と第２のスペーサー９を積層すると、流体注入用の開口部４は第１のバルブ室用の貫通孔２８の略中央に位置し、流体排出用の開口部５は第２のバルブ室用の貫通孔２９に連通するように打抜かれている。

第１の板状基板７、第１のスペーサー８、第２のスペーサー９及び第２の板状基板１０をこの順に積層すると、第１のバルブ室用の貫通孔２５と第１のバルブ室用の貫通孔２８及び第２のバルブ室用の貫通孔２６と第２のバルブ室用の貫通孔２９が重ねあわされ、第１の板状基板７と第２の板状基板１０で囲まれて第１のバルブ室と第２のバルブ室が形成される。

第１のバルブ室に浮遊弁体３４を収納すると、ピエゾ素子設置用穴６１、浮遊弁体３４及び流体注入用の開口部４が略一直線になるように積層される。従って、第２の板状基板１０の流体注入用の開口部４から第１バルブ室及び第２バルブ室を通過して第２の板状基板１０の流体排出用の開口部５にむけて流体が流れるマイクロバルブが形成される。

尚、浮遊弁体３４は常に流体注入用の開口部を覆っている必要があるので、円形の場合、流体注入用の開口部４を第１のバルブ室の略中央に形成し、浮遊弁体３４の直径を、第１のバルブ室の半径と流体注入用の開口部４の半径の合計値より大きく且つ第１のバルブ室の直径より小さくするのが好ましい。又、狭隘部２７の幅は、浮遊弁体３４が通過しないように浮遊弁体３４の直径より小さくすればよい。

流体注入用の開口部４からの流体の注入を止めるには、ピエゾ素子設置用穴６１にピエゾ素子６を設置し、作動させ、第１の板状基板７を押圧することにより、浮遊弁体３４を流体注入用の開口部４に押圧し、流体注入用の開口部４を閉鎖すればよい。ピエゾ素子を作動させることにより、流体注入用の開口部４を閉鎖して流体の注入を止めるのであるから必要なときに確実に流体の注入を止めることができ、逆流することもない。

請求項６記載のマイクロバルブの流量調節方法は、流体排出用の開口部と、下壁に形成されている流体注入用の開口部を有するバルブ室内に、少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が、常に流体注入用の開口部を覆うように収納されているマイクロバルブの、第１の板状基板、狭隘部を介して第１のバルブ室と第２のバルブ室が接続されているバルブ室用の貫通孔が打抜かれているスペーサー及び流体注入用の開口部が打抜かれている第２の板状基板が、第１のバルブ室及び流体注入用の開口部が略一直線になるように、この順に積層されており、該スペーサーに第２のバルブ室からスペーサーの側壁に連通する流体排出用の貫通孔が打抜かれ、第１のバルブ室に常に流体注入用の開口部を覆い、狭隘部を通過しない大きさであって、スペーサーの厚さより薄い浮遊弁体が収納されているマイクロバルブの第１の板状基板に、第１のバルブ室用の貫通孔、浮遊弁体及び流体注入用の開口部と略一直線になるようにピエゾ素子を設置し、ピエゾ素子で第１の板状基板を押圧することにより浮遊弁体を第２の板状基板方向に押圧し、流体注入用の開口部を閉鎖することを特徴とする。

請求項６記載のマイクロバルブの流量調節方法を図面を参照して説明する。図７は請求項６記載のマイクロバルブの流量調節方法で使用されるマイクロバルブの一例を示す分解図である。

図中７は、第１のバルブ室用の貫通孔２５、第２のバルブ室用の貫通孔２６及び流体排出用の貫通孔５３のふたをする第１の板状基板であり、ピエゾ素子設置用の穴６１が穿設されている。

８１は、第１の板状基板７より薄く、略円形の第１のバルブ室用の貫通孔２５、第２のバルブ室用の貫通孔２６及び第２のバルブ室からスペーサーの側壁に連通する流体排出用の貫通孔５３が打抜かれが打抜かれているスペーサーである。略円形のバルブ室用の貫通孔２５と第２のバルブ室用の貫通孔２６は狭隘部２７を介して接続されている。

３４は、スペーサー８１の厚さの略半分の厚さであり、第１のバルブ室用の貫通孔２５より若干小さい略円形の浮遊弁体である。１０は略円形の流体注入用の開口部４が打抜かれている第２の板状基板であり、第２の板状基板１０と第１のスペーサー８を積層すると、流体注入用の開口部４は第１のバルブ室用の貫通孔２５の略中央に位置するように打抜かれている。

第１の板状基板７、スペーサー８１及び第２の板状基板１０をこの順に積層すると、第１のバルブ室用の貫通孔２５、第２のバルブ室用の貫通孔２８及び流体排出用の貫通孔５３は第１の板状基板７と第２の板状基板１０で囲まれて第１のバルブ室、第２のバルブ室及び流体排出用の開口部５が形成される。

第１のバルブ室に浮遊弁体３４を収納すると、ピエゾ素子設置用の穴６１、浮遊弁体３４及び流体注入用の開口部４が略一直線になるように積層される。従って、第２の板状基板１０の流体注入用の開口部４から第１バルブ室及び第２バルブ室を通過して流体排出用の開口部５にむけて流体が流れるマイクロバルブが形成される。

尚、浮遊弁体３４は常に流体注入用の開口部を覆っている必要があるので、円形の場合、流体注入用の開口部４を第１のバルブ室の略中央に形成し、浮遊弁体３４の直径を、第１のバルブ室の半径と流体注入用の開口部４の半径の合計値より大きく且つ第１のバルブ室の直径より小さくすればよい。又、狭隘部２７の幅は、浮遊弁体３４が通過しないように浮遊弁体３４の直径より小さくすればよい。

流体注入用の開口部４からの流体の注入を止めるには、ピエゾ素子設置用の穴６１にピエゾ素子を設置し、作動させ、第１の板状基板７を押圧することにより、浮遊弁体３４を流体注入用の開口部４に押圧し、流体注入用の開口部４を閉鎖すればよい。ピエゾ素子を作動させることにより、流体注入用の開口部４を閉鎖して流体の注入を止めるのであるから必要なときに確実に流体の注入を止めることができ、逆流することもない。

上記板状基板、スペーサー及び（浮遊）弁体の素材は、特に限定されるものではなく、例えば、従来から使用されている、ガラス、石英、シリコン等の無機材料、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が挙げられる。

上記無機材料は精度、加工性等が優れており、例えば、半導体微細加工技術において広く用いられている光リソグラフィー技術を利用すれば、ガラスやシリコン基板上にミクロンオーダーの溝や貫通孔を自在に形成することができる。

上記熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリ乳酸系樹脂、ポリアクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂等が挙げられ、耐酸性、耐アルカリ性を有する熱可塑性樹脂であるポリオレフィン系樹脂やポリアクリル系樹脂が好ましい。

又、熱硬化性樹脂は、前駆体が液状のため、転写金型の形状をより忠実に転写するという利点があり、低い線膨張率、低い成形収縮率を示すので有利に用いることができる。このような熱硬化樹脂としては、コストや易取扱い性の点から、エポキシ樹脂を有利に用いることができる。

上記板状基板の大きさは特に限定されるものではないが、大きくなるとマイクロ全分析システムとしてのハンドリング性が低下するので４００ｃｍ² 以下が好ましく、厚さは０．０１〜１０ｍｍが好ましい。又、第１の基板及び第２の基板を厚くして強度を持たせ、スペーサーを薄いフィルムで形成してもよく、スペーサーの厚さは１〜１００μｍが好ましい。

上記流体注入用の開口部４、流体排出用の開口部５等の断面積も特に限定されるものではないが、狭くなるとつまり易くなり製造が困難になり、広くなると測定試料が多量に必要になるので０．０１μｍ² 〜３ｍｍ² が好ましい。

又、バルブ室の大きさも特に限定されるものではないが、小さくなるとバルブ性能が低下し、大きくなると測定試料が多量に必要になるので１μｍ³ 〜３ｍｍ³ が好ましい。

本発明のマイクロバルブの流量調節方法構成は上述の通りであり、マイクロ全分析システムに容易に組み込むことができる簡単な構造で、微細流路内の流体を一方向のみに輸送し、逆流することがない。

又、ピエゾ素子で弁体又は浮遊弁体を液体注入用開口部に押圧するのであるから、少しのエネルギー強固に押圧することができ、確実に止水することができる。又、圧力伝達部材を介在してピエゾ素子で弁体又は浮遊弁体を液体注入用開口部に押圧することにより、より少しのエネルギーでより強固に押圧することができ、より確実に止水することができる。更に、ピエゾ素子及び弁体を複数設置することにより異なる流体を混合すると共に混合比を変えて供給することができる。

請求項１記載のマイクロバルブの流量調節方法で使用されるマイクロバルブの一例を示す分解図である。請求項１記載のマイクロバルブの流量調節方法で使用されるマイクロバルブの一例を示す平面図である。請求項１記載のマイクロバルブの流量調節方法で使用されるマイクロバルブの一例を示す分解図である。請求項２記載のマイクロバルブの流量調節方法で使用されるマイクロバルブの一例を示す分解図である。請求項３記載のマイクロバルブの流量調節方法で使用されるマイクロバルブの一例を示す分解図である。請求項５記載のマイクロバルブの流量調節方法で使用されるマイクロバルブの一例を示す分解図である。請求項６記載のマイクロバルブの流量調節方法で使用されるマイクロバルブの一例を示す分解図である。

１マイクロ全分析システム
２バルブ室
２１下壁
２２上壁
２３バルブ室用の貫通孔ａ
２４バルブ室用の貫通孔ｂ
２５、２８第１のバルブ室用の貫通孔
２６、２９第２のバルブ室用の貫通孔
２７狭隘部
３、３１、３２、３３弁体
３４浮遊弁体
４、４１、４２、４３流体注入用の開口部
５流体排出用の開口部
５１、５２、５３流体排出用の貫通孔
６ピエゾ素子
６１、６２、６３ピエゾ素子接触部
７第１の板状基板
８第１のスペーサー
８１スペーサー
９第２のスペーサー
１０第２の板状基板
１１第３の板状基板
１２圧力伝達部材
１３一端部
１４他端部

Claims

流体排出用の開口部と、下壁に形成されている流体注入用の開口部を有するバルブ室内に、少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が、常に流体注入用の開口部を覆うように収納されているマイクロバルブの、第１の板状基板、バルブ室用の貫通孔ａが打抜かれている第１のスペーサー、バルブ室用の貫通孔ｂが打抜かれ、該貫通孔ｂ内に少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が固定されている第２のスペーサー及び流体注入用の開口部が打抜かれている第２の板状基板が、貫通孔ａ、弁体及び流体注入用の開口部が略一直線になるように、この順に積層されており、第１のスペーサー及び／又は第２のスペーサーに、該スペーサーのバルブ室用の貫通孔ａ及び／又はｂから側壁に連通する流体排出用の貫通孔が打抜かれているマイクロバルブの第１の板状基板に、貫通孔ａ、弁体及び流体注入用の開口部と略一直線になるようにピエゾ素子を設置し、ピエゾ素子で第１の板状基板を押圧することにより弁体を第２の板状基板方向に押圧し、流体注入用の開口部を閉鎖することを特徴とするマイクロバルブの流量調節方法。
流体排出用の開口部と、下壁に形成されている流体注入用の開口部を有するバルブ室内に、少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が、常に流体注入用の開口部を覆うように収納されているマイクロバルブの、第１の板状基板、バルブ室用の貫通孔ａが打抜かれている第１のスペーサー、バルブ室用の貫通孔ｂが打抜かれ、該貫通孔ｂ内に少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が複数固定されている第２のスペーサー並びに該弁体と同数の流体注入用の開口部及び流体排出用の貫通孔が打抜かれている第２の板状基板が、貫通孔ａ、各弁体及び各流体注入用の開口部が略一直線になるように、この順に積層されているマイクロバルブの第１の板状基板に、貫通孔ａ、各弁体及び各流体注入用の開口部とがそれぞれ略一直線になるように複数のピエゾ素子を設置し、各ピエゾ素子で第１の板状基板を押圧することにより各弁体を第２の板状基板方向に押圧し、各流体注入用の開口部を閉鎖することを特徴とするマイクロバルブの流量調節方法。
流体排出用の開口部と、下壁に形成されている流体注入用の開口部を有するバルブ室内に、少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が、常に流体注入用の開口部を覆うように収納されているマイクロバルブの、第１の板状基板、バルブ室用の貫通孔ａが打抜かれている第１のスペーサー、バルブ室用の貫通孔ｂが打抜かれ、該貫通孔ｂ内に少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が複数固定されている第２のスペーサー及び該弁体と同数の流体注入用の開口部が打抜かれている第２の板状基板が、貫通孔ａ、各弁体及び各流体注入用の開口部が略一直線になるように、この順に積層されており、第１のスペーサー及び／又は第２のスペーサーに、該スペーサーのバルブ室用の貫通孔ａ及び／又はｂから側壁に連通する流体排出用の貫通孔が打抜かれているマイクロバルブの第１の板状基板に、貫通孔ａ、各弁体及び各流体注入用の開口部とがそれぞれ略一直線になるように複数のピエゾ素子を設置し、各ピエゾ素子で第１の板状基板を押圧することにより各弁体を第２の板状基板方向に押圧し、各流体注入用の開口部を閉鎖することを特徴とするマイクロバルブの流量調節方法。
第２のスペーサーは、板状の弁体を残してバルブ室用の貫通孔ｂが打抜かれていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のマイクロバルブの流量調節方法。
流体排出用の開口部と、下壁に形成されている流体注入用の開口部を有するバルブ室内に、少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が、常に流体注入用の開口部を覆うように収納されているマイクロバルブの、第１の板状基板、狭隘部を介して第１のバルブ室と第２のバルブ室が接続されているバルブ室用の貫通孔が打抜かれているスペーサー及び流体注入用の開口部及び流体排出用の貫通孔が打抜かれている第２の板状基板が、第１のバルブ室及び流体注入用の開口部が略一直線になり、第２のバルブ室及び流体排出用の開口部が略一直線になるように、この順に積層されており、第１のバルブ室に常に流体注入用の開口部を覆い、狭隘部を通過しない大きさであって、スペーサーの厚さより薄い浮遊弁体が収納されているマイクロバルブの第１の板状基板に、第１のバルブ室用の貫通孔、浮遊弁体及び流体注入用の開口部と略一直線になるようにピエゾ素子を設置し、ピエゾ素子で第１の板状基板を押圧することにより浮遊弁体を第２の板状基板方向に押圧し、流体注入用の開口部を閉鎖することを特徴とするマイクロバルブの流量調節方法。
流体排出用の開口部と、下壁に形成されている流体注入用の開口部を有するバルブ室内に、少なくとも１端部が遊端である板状の弁体が、常に流体注入用の開口部を覆うように収納されているマイクロバルブの、第１の板状基板、狭隘部を介して第１のバルブ室と第２のバルブ室が接続されているバルブ室用の貫通孔が打抜かれているスペーサー及び流体注入用の開口部が打抜かれている第２の板状基板が、第１のバルブ室及び流体注入用の開口部が略一直線になるように、この順に積層されており、該スペーサーに第２のバルブ室からスペーサーの側壁に連通する流体排出用の貫通孔が打抜かれ、第１のバルブ室に常に流体注入用の開口部を覆い、狭隘部を通過しない大きさであって、スペーサーの厚さより薄い浮遊弁体が収納されているマイクロバルブの第１の板状基板に、第１のバルブ室用の貫通孔、浮遊弁体及び流体注入用の開口部と略一直線になるようにピエゾ素子を設置し、ピエゾ素子で第１の板状基板を押圧することにより浮遊弁体を第２の板状基板方向に押圧し、流体注入用の開口部を閉鎖することを特徴とするマイクロバルブの流量調節方法。