マイクロデバイスの流体制御方法及びマイクロデバイス
【課題】磁気障壁通路又は反磁気障壁流路に沿って流す流体の流体制御を簡単な構成で高精度に行うことができる。
【解決手段】基板１２に配設された細線状の磁性体材料２２に対して外部磁場を印加することにより磁性体材料２２に沿った磁気障壁通路を形成し、該磁気障壁通路に沿って磁性流体Ａ，Ｂを流通させる。この流通において、磁性体材料２２の途中を断線させる断線工程と、断線した通路断線部３４を通路断片３６で結線させる結線工程と、により、磁気障壁通路に沿って流れる磁性流体Ａ，Ｂの流通を制御する。
【解決手段】基板１２に配設された細線状の磁性体材料２２に対して外部磁場を印加することにより磁性体材料２２に沿った磁気障壁通路を形成し、該磁気障壁通路に沿って磁性流体Ａ，Ｂを流通させる。この流通において、磁性体材料２２の途中を断線させる断線工程と、断線した通路断線部３４を通路断片３６で結線させる結線工程と、により、磁気障壁通路に沿って流れる磁性流体Ａ，Ｂの流通を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロデバイスの流体制御方法及びマイクロデバイスに係り、特に、磁気障壁により流体通路を形成し、該流体通路に流体を流通させる際に、流通を制御するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の化学システムにおいては、化学操作を行うデバイス（装置）のミクロ化、集積化が注目されている。デバイスのミクロ化、集積化によって、化学操作を行う操作時間の大幅な短縮と高効率化、あるいは化学操作に使用する試薬量・廃液量の低減、更には省スペース、携帯性などのさまざまなメリットをもたらし、「オンデマンド、オンサイト化学プロセス」を可能にする。このようなデバイスは、マイクロリアクター、マイクロミキサー、マイクロデバイス、マイクロチップ等と称され、以下総称してマイクロデバイスということにする。
【０００３】
このマイクロデバイスは、半導体集積化回路のように基板上に化学プロセスを行う構造を集積・微細化した形で形成することができる。通常、マイクロデバイスは、基板上に数十〜数百ミクロンの径の溝(マイクロ流路)を作製したもので、マイクロ流路内の小空間において混合、反応、分離、検出などの化学操作を行う。しかし、このような微細なマイクロ流路を基板に形成するには、例えばガラス基板にエッチング加工を行う等の微細加工技術が必要であり、高い加工精度を必要とすると共に手間がかかる作業であった。また、化学操作を行うには、マイクロ流路に流す流体の流通を制御する必要もあり、微細なマイクロ流路にバルブを付ける高度な加工技術を必要とする。
【０００４】
ところで、微細溝であるマイクロ流路に流体、特に高粘性の流体を流すと、流体とマイクロ流路壁面との摩擦抵抗、あるいは流体同士の摩擦抵抗により、流体の滑らかな流通が妨げられるという問題がある。このことから、流体の流通における摩擦抵抗を発生させないマイクロチップとして、特許文献１及び特許文献２に開示される「磁気障壁により形成される液体通路を有するマイクロリアクター」が提案されている。この、マイクロリアクターは、外部磁場がマイクロ流路内の磁性流体に与える磁場効果により発生する磁気障壁により、マイクロ流路内で固体壁の影響を受けずに流体を送液する技術であり、マイクロ流路を溝として形成する必要がない。
【０００５】
磁気障壁により形成された磁気障壁通路は、磁性をもつ材料でできており、これは基板上又は基板内に埋め込んで使用する。そして、導入部より、送液する流体が正の磁化率をもつ流体であれば、この状態で外部磁場を加えると、磁性流体はこの磁気障壁通路上にしか存在できないため、あたかも磁気の壁が生じ、存在領域が限定される。以後、磁気障壁通路上に形成される磁気の壁を磁気障壁と呼ぶ。
【０００６】
磁気通路形成材料として、反磁性体の材料を用いると、水などの反磁性流体を固体壁の存在なく送液することが可能である。即ち、磁気障壁通路は、フラットな基板上で液体の流通を行うことが可能になり、従来のように基板に溝を穿設しなくても液の送液、及び保持を行うことができる。
【０００７】
また、磁性流体は外部磁場に応答し、反発、もしくは引力を受ける。この送液される磁性液体（試料液体）はそれとは磁化率の異なる磁性液体（環境液体）で覆われる必要がある。磁化率の異なるこれらの液は外部磁場に対する応答性が異なるため、２液は容易には混合されず、分離し、その状態を保つことができる。外部磁場が印加されなければ、この２種類の磁性流体は混ざり合うが、磁場印加中は混ざり合わずに界面が形成される。送液は流路上流と下流のヘッド差による。
【特許文献１】特開２００２−２３９３６６号公報
【特許文献２】特開２００４−８２１１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述したように、マイクロデバイスにおいて化学操作を行うには、単に流体を流通させればよいのではなく、流体を流したり、遮断したりする流通制御が必要であり、このことは磁気障壁で形成した通路の場合も同様である。
【０００９】
特許文献１及び２では、かかる流体の流通制御に関しては、何ら開示されておらず、実装置として使用するには不十分である。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、磁気障壁通路又は反磁気障壁流路に沿って流す流体の流体制御を簡単な構成で高精度に行うことができるマイクロデバイスの流体制御方法及びマイクロデバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１は前記目的を達成するために、基板に配設された細線状の磁性体材料に対して外部磁場を印加することにより前記磁性体材料に沿った磁気障壁通路を形成し、該磁気障壁通路に沿って磁性流体を流通させるマイクロデバイスの流体制御方法において、前記磁性体材料の途中を断線させる断線工程と、前記断線した通路断線部を結線させる結線工程と、により、前記磁気障壁通路に沿って流れる磁性流体の流通を制御することを特徴とするマイクロデバイスの流体制御方法を提供する。
【００１２】
請求項１によれば、基板に配設された細線状の磁性体材料に対して外部磁場を印加することにより磁性体材料に沿った磁気障壁通路を形成される。そして、磁性流体はこの磁気障壁通路上にしか存在できない。これにより、あたかも磁気の壁で形成された通路を流れるが如く磁性流体が流通する。従って、ここで用いる磁気障壁通路とは、従来の溝状に形成されたマイクロ流路のように固体壁によって通路を形成するのではなく、磁気の壁によって磁性流体の流通をガイドする通路を形成することを意味する。
【００１３】
磁性流体を流す推進力としては、磁性流体が流れる上流位置と下流位置とのヘッド差（位置エネルギー）を利用することができる。ヘッド差を形成するには、例えば磁性体材料の供給位置に磁性流体を供給する供給管を立設してヘッド差をつけたり、磁気障壁通路の上流側が下流側よりも高くなるように傾斜させたりすることで達成できる。
【００１４】
そして、請求項１では、磁性体材料の途中を断線させる断線工程と、断線した通路断線部を結線させる結線工程とにより、磁気障壁通路に沿って流れる磁性流体の流通を制御するようにした。即ち、磁性体材料が断線した通路断線部には、磁性流体は流れることができないので、この通路断線部で磁性流体の流れが遮断される。そして、通路断線部を結線すれば、磁性流体は再び流れることができる。従って、断線工程と結線工程を行うことで、あたかも磁性流体が流れる配管途中に設けたバルブを開閉するのと同じことを行うことができるので、磁性流体の流通を制御することができる。
【００１５】
請求項２は請求項１において、前記磁性体材料は、複数種の磁性流体を供給する流体供給通路と、該複数の流体供給通路が合流した流体操作通路とを有すると共に、前記それぞれの流体供給通路について前記断線工程と結線工程を行うことを特徴とする。
【００１６】
請求項２によれば、複数種の磁性流体を供給する流体供給通路において断線工程と結線工程を行うことで、流体操作通路において例えば複数種の磁性流体の塊が交互に流れるプラグフローを行うことができる。これにより、複数種の磁性流体同士の混合効率を向上できる。
【００１７】
本発明の請求項３は前記目的を達成するために、基板に配設された細線状の反磁性体材料の周囲に存在する磁性環境流体に対して外部磁場を印加することにより前記反磁性体材料に沿った反磁気障壁通路を形成し、該反磁気障壁通路に沿って反磁性流体を流通させるマイクロデバイスの流体制御方法において、前記反磁性体材料の途中を断線させる断線工程と、前記断線した通路断線部を結線させる結線工程と、により、前記反磁気障壁通路に沿って流れる反磁性流体の流通を制御することを特徴とするマイクロデバイスの流体制御方法を提供する。
【００１８】
請求項３は反磁性流体（例えば水）を流通させる場合である。即ち、反磁性体材料の周囲に存在する磁性環境流体に外部磁場を印加することで、反磁性体材料に沿った部分だけが反磁性流体が流れるための反磁気障壁通路として形成される。反磁性流体はこの反磁気障壁通路上にしか存在できないので、あたかも反磁気の壁で形成された通路を流れるが如く反磁性流体が流通する。
【００１９】
そして、請求項３では、反磁性体材料の途中を断線させる断線工程と、断線した通路断線部を結線させる結線工程とを行うようにしたので、請求項１と同様の理由から反磁性流体の流通を制御することができる。
【００２０】
請求項４は請求項３において、前記反磁性体材料は、複数種の反磁性流体を供給する流体供給通路と、該複数の流体供給通路が合流した流体操作通路とを有すると共に、前記それぞれの流体供給通路について前記断線工程と結線工程を行うことを特徴とする。
【００２１】
請求項４によれば、複数種の反磁性流体を供給する流体供給通路において断線工程と結線工程を行うことで、流体操作通路において例えば複数種の反磁性流体の塊が交互に流れるプラグフローを行うことができる。これにより、複数種の反磁性流体同士の混合効率を向上できる。
【００２２】
本発明の請求項５は前記目的を達成するために、基板に配設された細線状の磁性体材料に対して外部磁場を印加することにより前記磁性体材料に沿った磁気障壁通路を形成し、該磁気障壁通路に沿って磁性流体を流通させるマイクロデバイスにおいて、前記磁性体材料の途中に形成され、該磁性体材料が所定長さの空間距離を有して断線した通路断線部と、前記通路断線部に対して出し入れ自在に設けられ、前記空間距離と同じ長さを有する磁性体材料の通路断片と、前記通路断片を前記通路断線部に出し入れすることにより、前記磁性体材料を断線及び結線する出し入れ手段と、を備えたことを特徴とするマイクロデバイスを提供する。
【００２３】
請求項５は、請求項１の方法発明を装置発明として構成したものである。即ち、磁性体材料の途中に、該磁性体材料が所定長さの空間距離を有して断線した通路断線部を形成し、この通路断線部に空間距離と同じ長さの磁性体材料の通路断片を出し入れ手段で出し入れするようにした。即ち、通路断片を通路断線部から出した（退避させた）状態では、この通路断線部分で磁性流体の流れが遮断される。そして、退避させた通路断片を通路断線部に入れて通路断線部分を結線すれば、磁性流体は再び流れることができる。従って、磁性流体の流通を制御することができる。
【００２４】
ここで、反磁性体材料の通路断片は、反磁性体材料と同一であることが好ましいが、磁性の近い通路断片を使用することもできる。また、出し入れ手段としては、手動で行ってもよいが、例えば通路断片を圧電素子等で出し入れする自動出し入れ手段を設けることが好ましい。
【００２５】
請求項６は請求項５において、前記通路断片の長さは０．５〜１ｍｍの範囲であることを特徴とする。
【００２６】
請求項６によれば、通路断片の長さが０．５〜１ｍｍであるので、磁性流体の遮断及び流通（遮断解除）を高精度に制御できる。
【００２７】
本発明の請求項７は前記目的を達成するために、基板に配設された細線状の反磁性体材料の周囲に存在する磁性環境流体に対して外部磁場を印加することにより前記反磁性体材料に沿った反磁気障壁通路を形成し、該反磁気障壁通路に沿って反磁性流体を流通させるマイクロデバイスにおいて、前記反磁性体材料の途中に形成され、該反磁性体材料が所定長さの空間距離を有して断線した通路断線部と、前記通路断線部に対して進退自在に設けられ、前記空間距離と同じ長さを有する反磁性体材料の通路断片と、前記反磁性体材料の通路断片を前記通路断線部に進退させることにより、前記反磁性体材料を断線及び結線する進退手段と、を備えたことを特徴とするマイクロデバイスを提供する。
【００２８】
請求項７は、請求項３の方法発明を装置発明として構成したものである。即ち、反磁性体材料の途中に、該反磁性体材料が所定長さの空間距離を有して断線した通路断線部を形成し、この通路断線部に空間距離と同じ長さの反磁性体材料の通路断片を出し入れ手段で出し入れするようにした。即ち、通路断片を通路断線部から出した（退避させた）状態では、この通路断線部で反磁性流体の流れが遮断される。そして、退避させた通路断片を通路断線部に入れて通路断線部分を結線すれば、反磁性流体は再び流れることができる。従って、反磁性流体の流通を制御することができる。ここで、通路断片は、反磁性体材料と同一であることが好ましいが、磁性の近い通路断片を使用することもできる。また、出し入れ手段としては、手動で行ってもよいが、例えば通路断片を圧電素子等で出し入れする自動出し入れ手段を設けることが好ましい。
【００２９】
請求項８は請求項７において、前記通路断片の長さは０．５〜１ｍｍの範囲であることを特徴とする。
【００３０】
請求項６と同様の理由から、反磁性流体の遮断及び流通（遮断解除）を高精度に制御できる。
【００３１】
上記における磁性流体又は反磁性流体としては、液体、気体、気体を溶解する液体、固体粒子が分散する液体及び気体のように、磁気障壁通路又は反磁気障壁通路を通過可能な全ての流体を含む。また、外部磁場とは、磁性体材料の外部に設けた磁力発生装置、例えば永久磁石や電磁石により生じた磁場をいう。また、磁場の向きは上下方向、水平方向、斜め方向、更に曲線状の複雑な方向も可能であり、適宜選択できる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、磁気障壁通路又は反磁気障壁流路に沿って流す流体の流通や遮断を簡単な構成で高精度に行うことができる。即ち、磁気障壁通路又は反磁気障壁流路を形成する磁性体材料又は反磁性体材料の通路断線部に、通路断片を出し入れすることにより、配管に設けたバルブと同様に通路開閉機能を発現することができる。また、通路断片の出し入れの程度を厳密に決めることで、流体の流通・遮断制御のみならず流量制御も行うことができる。
【００３３】
更には、通路断線部に通路断片を出し入れする周期を制御することで、通路断線部の後段に送液する流体量を決めることができるので、流体を秤量する効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、添付図面に従って、本発明に係るマイクロデバイスの流体制御方法及びマイクロデバイスの好ましい実施の形態について詳説する。
【００３５】
図１は、本発明に係るマイクロデバイス１０の構成の一例について説明する概念図である。図２は、流体の流れ方向に沿った側面断面図である。なお、本実施の形態では、２種類の磁性流体Ａ，Ｂを合流させて反応、混合等の化学操作を行うマイクロデバイスの例で説明する。ここで、磁性流体とは強磁性流体、常磁性流体の何れかを意味する。
【００３６】
これらの図に示すように、基板１２の上に、内部に空洞部１４Ａを有する蓋部材１４が固定され、基板１２の下面にはＮ極の磁石１６が設けられ、蓋部材１４の上面にはＳ極の磁石１８が設けられる。これにより、マイクロデバイス１０の本体部２０が形成される。外部磁場装置である磁石１６、１８は、電磁石と永久磁石とのいずれをも使用できるが、印加する外部磁場の強度は、０．０１Ｔ（テスラー）〜１Ｔ（テスラー）の極めて強い磁場を発生できることが好ましく、０．１Ｔ（テスラー）〜１Ｔ（テスラー）の範囲であることが一層好ましい。
【００３７】
また、基板１２の表層部には、Ｙ字形状をした細線状の磁性体材料２２が埋設される。磁性体材料２２は、強磁性又は常磁性を有する材料であり、鉄ワイヤーを好適に使用できる。なお、磁性体材料２２は基板１２に埋設しないで、基板１２上に設けることもできる。細線状の磁性体材料２２の太さ（径）は１ｍｍ以下であることが好ましく、５００μｍ以下であることが一層好ましい。
【００３８】
そして、細線状の磁性体材料２２に対して上述の外部磁場装置で外部磁場を印加することにより磁性体材料２２に沿った磁気障壁通路を形成し、該磁気障壁通路に沿って磁性流体を流通させることができる。
【００３９】
基板１２及び蓋部材１４の材料としては、各種樹脂板、より具体的には、ポリジメチルスルホキシド（ＰＤＭＳ）、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、紫外線硬化樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等が採用できる。
【００４０】
また、上記のほかにも、耐熱、耐圧及び耐溶剤性、加工容易性等の要求に応じて、金属、ガラス、セラミックス、プラスチック、シリコン、及びテフロン（登録商標）等の樹脂を好適に使用でき、特に、ポリスチレン樹脂、ＰＭＭＡ樹脂、石英ガラス、パイレックス（登録商標）ガラスが好ましい。また、磁性体材料２２を基板１２上に設ける場合には、磁性体材料２２の上をフッソ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂等の不活性なフィルムで被覆することが好ましい。
【００４１】
ここで、Ｙ字形状をした磁性体材料２２の各部分の名称として、図３に示すように、２つの流体導入部２２Ａ，２２Ｂ、２本の流体供給通路２２Ｃ，２２Ｄ、１つの流体合流部２２Ｅ、１本の流体操作通路２２Ｆ（反応、混合等の化学操作を行う通路）、１つの流体排出部２２Ｇとに区分けする。なお、本実施の形態では、Ｙ字形状をした磁性体材料２２を使用したため、流体供給通路が２本になるが、３本以上でもよい。
【００４２】
２種類の磁性流体Ａ，Ｂを導入する一対の流体導入管２４Ａ，２４Ｂが、その先端を流体導入部２２Ａ，２２Ｂまで延設させた状態で、本体部２０に立設され、流体導入管２４Ａ，２４Ｂにはマイクロシリンジ２６Ａ，２６Ｂにより磁性流体Ａ，Ｂが導入される。流体導入管２４Ａ，２４Ｂから導入する磁性流体の流量は、０．０１ｍＬ／分〜１０ｍＬ／分の微小量の範囲であることが好ましい。
【００４３】
一方、流体排出部２２Ｇには、その先端が本体部２０から外部に延設された排出管２８が設けられ、２種類の磁性流体Ａ，Ｂが反応又は混合して得られた処理流体が排出管２８を介して外部に排出される。磁気障壁通路を流れる磁性流体Ａ，Ｂは、摩擦抵抗を殆ど受けずに流れるので、流体排出時に抵抗を受けると、流体の流通が停滞してしまう。従って、排出管２８の径を太くして排出抵抗を小さくすることが好ましい。
【００４４】
また、本体部２０には、蓋部材１４の空洞部１４Ａに環境流体を流入して空洞部１４Ａを満たすことにより、磁性体材料２２の周囲に反磁性環境を形成するための環境流体導入管３０及び空気抜き管３２が連結される。なお、環境流体が空気である場合には、蓋部材１４の空洞部１４Ａに空気を流入する必要はない。
【００４５】
また、図３に示すように、 磁性体材料２２の流体供給通路２２Ｃ，２２Ｄには、該磁性体材料２２が所定長さの空間距離Ｌを有して断線した通路断線部３４が設けられ、この通路断線部３４に対して空間距離Ｌと同じ長さを有する磁性体材料２２の通路断片３６が出し入れ自在に配置される。これにより、図４（Ａ）に示すように、通路断片３６を通路断線部３４に入れた状態では、磁性体材料２２は結線された状態を形成する。また、図４（Ｂ）に示すように、通路断片３６を通路断線部３４から出すことにより、磁性体材料２２が断線した状態を形成する。この場合、磁性体材料２２の断線及び結線を確実に行うには、通路断片３６の長さ（空間距離Ｌ）が０．５〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００４６】
この磁性体材料２２の断線及び結線を行うには、例えば、図３に示すように、通路断片３６を支持するアーム３８を設けて、このアームを手動あるいは自動で移動させることができる。しかし、図５に示すように、０．５〜１ｍｍの長さの磁性体材料２２の通路断片３６を埋め込んだブロック４０を形成すると共に、通路断線部３４を含み、ブロック４０と嵌合する空洞部４２を基板１２に形成する。通路断片３６の両端はブロック４０の両側面から露出している。そして、空洞部４２に対してブロック４０を矢印ｂ方向に押し込んで空洞部４２の奥壁４２Ａに突き当てると、磁性体材料２２が結線されるようにする。また、空洞部４２に対してブロック４０を矢印ａ方向に引き抜くことで、磁性体材料２２が断線するようにする。これにより、高精度な断線及び結線を実現できる。
【００４７】
通路断片３６による磁性体材料２２の断線及び結線を繰り返す周期は、１００Ｈｚ以下であることが好ましい。ここで、断線及び結線の周期とは、断線と結線を１サイクルとしたときの１分間におけるサイクル数であり、周期が大きくなるほど、断線と結線の間隔が短くなる。
【００４８】
ブロック４０を自動的に出し入れするための駆動力を付与する出し入れ手段としては、例えば、マイクロなピストンシリンダ、圧電素子、形状記憶合金とヒータを組み合わせ等のように、ブロック４０を微小距離移動させることができる手段を好適に用いることができる。
【００４９】
また、図示しないが、磁気障壁通路を流通する磁性流体Ａ，Ｂが非粘性流体のように振る舞うことを利用し、マイクロデバイス１０と既存の混合手法である、例えば表面弾性波、自然対流、超音波等とを組み合わせることもできる。
【００５０】
次に、上記の如く構成されたマイクロデバイス１０の流体制御方法を図６及び図７を使用して説明する。ここでは、流体制御の一例として、Ｙ字の磁性体材料２２の流体操作通路２２Ｆに磁性流体Ａのプラグ（塊）と磁性流体Ｂのプラグ（塊）とが交互に流通するプラグフローの例で説明する。
【００５１】
先ず、基板１２に配設されたＹ字状の磁性体材料２２に対して外部磁場を印加することにより、磁性体材料２２に沿った磁気障壁通路を形成する。この場合、蓋部材１４の空洞部１４Ａ内に供給する環境流体としては、水等の反磁性流体を使用できる。そして、図６（Ａ）に示すように、磁性体材料２２における２本の流体供給通路２２Ｃ，２２Ｄに形成した通路断線部３４から通路断片３６を出した状態にして断線させておく。この状態でマイクロシリンジ２６Ａ，２６Ｂを使用して磁性流体Ａ，Ｂをそれぞれの流体導入管２４Ａ，２４Ｂに導入する（ステップ１）。これにより、流体供給通路２２Ｃ，２２Ｄに導入された磁性流体Ａ，Ｂは、ともに通路断線部３４の手前で流れが停止する。
【００５２】
次に、図６（Ｂ）に示すように、流体供給通路２２Ｃの通路断線部３４に通路断片３６を入れて結線すると共に、流体供給通路２２Ｄは断線状態のまま維持する（ステップ２）。これにより、流体操作通路２２Ｆには磁性流体Ａのみが流れる。
【００５３】
次に、図６（Ｃ）に示すように、磁性流体Ａの流体供給通路２２Ｃを断線し、磁性流体Ｂの流体供給通路２２Ｄを結線する（ステップ３）。これにより、流体操作通路２２Ｆには磁性流体Ｂのみが流れる。
【００５４】
上記ステップ２とステップ３を繰り返すことにより、図７にように、流体操作通路２２Ｆには磁性流体Ａと磁性流体Ｂとが交互に流れるプラグフローが形成される。このように、プラグフローを形成することで、磁性流体Ａと磁性流体Ｂとの接触面積を大きくできるので、混合性能を向上できる。また、断線及び結線の周期を大きくすることで、小さなプラグを形成できる。
【００５５】
なお、上記の実施の形態では、磁性流体を流す例で説明したため、磁気障壁通路を形成する材料として磁性体材料２２を使用したが、水のように反磁性流体（磁化率の低い流体）を流す場合には、反磁性体材料を使用すると共に環境流体として磁性流体を使用し、磁石により環境流体に外部磁場を印加することで反磁気障壁通路を形成する。
【００５６】
反磁性体材料としては、例えば銅、ビスマス等を好適に使用できる。環境流体を形成する磁性流体としては強磁性又は常磁性の流体を使用できる。例えば、環境流体として、空気又は磁化率が水よりも高い水溶液もしくは油とする。ここで、油とは水に不溶な液を指す。なお、空気のような気体は、酸素分圧を高めた方がより低い磁場で効果的な反磁気障壁通路を作ることができるため、環境流体として酸素濃度が高い空気を使用することも好ましい。
【実施例】
【００５７】
次に、図１に示したマイクロデバイスを用いて、２種類の磁性流体Ａ，Ｂを流通させると共に、２本の流体供給通路２２Ｃ，２２Ｄに設けたそれぞれの通路断片３６を通路断線部３４に対して交互に出し入れすることで、磁性流体Ａ，Ｂを流体操作通路２２Ｆにおいて混合する実施例を説明する。
【００５８】
Ｙ字形状に形成された磁性体材料２２の太さ（径）は、１ｍｍとすると共に、通路断片３６の長さを１ｍｍとした。また。磁性流体Ａ，Ｂは、常磁性流体である硫酸ニッケル水溶液（濃度１．４mol/L)を用い、環境流体として反磁性流体である水を用いた。また、磁性流体Ａ，Ｂを可視的に区別できるように、磁性流体Ａには赤色の色素を含有させて赤色に着色した。一方、磁性流体Ｂには青色の色素を含有させた青色に着色した。
【００５９】
一対の流体導入管２４Ａ、２４Ｂからは、マイクロシリンジ２６Ａ，２６Ｂを用いて赤色の磁性流体Ａと青色の磁性流体Ｂとを１ｍＬ／分の流量で導入し、それぞれの流体供給通路２２Ｃ，２２Ｄに設けた通路断線部３４に対して通路断片３６を交互に出し入れした。通路断片３６を出し入れする周期は５０Ｈｚで行った。これにより、流体操作通路２２Ｆには、赤色の磁性流体Ａと青色の磁性流体Ｂとが交互に形成されたプラグフローが形成された。
【００６０】
比較例として、それぞれの流体供給通路２２Ｃ，２２Ｄに通路断線部３４及び通路断片３６を設けずに、一対の流体導入管２４Ａ、２４Ｂからは、マイクロシリンジ２６Ａ，２６Ｂを用いて赤色の磁性流体Ａと青色の磁性流体Ｂとを１ｍＬ／分の流量で導入した。
【００６１】
そして、実施例と比較例とについて、排出管２８から排出された排出液の混合度合を目視にて対比した結果、実施例は比較例よりも赤色と青色の混合が十分行われていた。
【００６２】
このように、通路断片３６を通路断線部３４に出し入れして磁性流体Ａと磁性流体Ｂとのプラグフローを形成することで、磁性流体Ａと磁性流体Ｂとの混合を顕著に促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係るマイクロデバイスの全体斜視図
【図２】マイクロデバイスの磁気障壁通路に沿った側面断面図
【図３】Ｙ字形状の磁性体材料の各部分の名称を説明する説明図
【図４】磁性体材料の断線・結線を説明する説明図
【図５】通路断片の通路断線部に出し入れする態様の一例を示す概念図
【図６】本発明のマイクロデバイスの流体制御方法の一例を説明する説明図
【図７】本発明のマイクロデバイスの流体制御方法の結果を説明する説明図
【符号の説明】
【００６４】
１０…マイクロデバイス、１２…基板、１４…蓋部材、１６、１８…磁石（外部磁気装置）、２０…マイクロデバイスの本体部、２２…磁性体材料、２２Ａ，２２Ｂ…流体導入部、２２Ｃ，２２Ｄ…流体供給通路、２２Ｅ…流体合流部、２２Ｆ…流体操作通路、２２Ｇ…流体排出部、２４Ａ，２４Ｂ…流体導入管、２６Ａ，２６Ｂ…マイクロシリンジ、２８…排出管、３０…環境流体導入管、３２…空気抜き管、３４…通路断線部、３６…通路断片、３８…アーム、４０…通路断片を有するブロック、４２…空洞部、Ａ…磁性流体、Ｂ…磁性流体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロデバイスの流体制御方法及びマイクロデバイスに係り、特に、磁気障壁により流体通路を形成し、該流体通路に流体を流通させる際に、流通を制御するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の化学システムにおいては、化学操作を行うデバイス（装置）のミクロ化、集積化が注目されている。デバイスのミクロ化、集積化によって、化学操作を行う操作時間の大幅な短縮と高効率化、あるいは化学操作に使用する試薬量・廃液量の低減、更には省スペース、携帯性などのさまざまなメリットをもたらし、「オンデマンド、オンサイト化学プロセス」を可能にする。このようなデバイスは、マイクロリアクター、マイクロミキサー、マイクロデバイス、マイクロチップ等と称され、以下総称してマイクロデバイスということにする。
【０００３】
このマイクロデバイスは、半導体集積化回路のように基板上に化学プロセスを行う構造を集積・微細化した形で形成することができる。通常、マイクロデバイスは、基板上に数十〜数百ミクロンの径の溝(マイクロ流路)を作製したもので、マイクロ流路内の小空間において混合、反応、分離、検出などの化学操作を行う。しかし、このような微細なマイクロ流路を基板に形成するには、例えばガラス基板にエッチング加工を行う等の微細加工技術が必要であり、高い加工精度を必要とすると共に手間がかかる作業であった。また、化学操作を行うには、マイクロ流路に流す流体の流通を制御する必要もあり、微細なマイクロ流路にバルブを付ける高度な加工技術を必要とする。
【０００４】
ところで、微細溝であるマイクロ流路に流体、特に高粘性の流体を流すと、流体とマイクロ流路壁面との摩擦抵抗、あるいは流体同士の摩擦抵抗により、流体の滑らかな流通が妨げられるという問題がある。このことから、流体の流通における摩擦抵抗を発生させないマイクロチップとして、特許文献１及び特許文献２に開示される「磁気障壁により形成される液体通路を有するマイクロリアクター」が提案されている。この、マイクロリアクターは、外部磁場がマイクロ流路内の磁性流体に与える磁場効果により発生する磁気障壁により、マイクロ流路内で固体壁の影響を受けずに流体を送液する技術であり、マイクロ流路を溝として形成する必要がない。
【０００５】
磁気障壁により形成された磁気障壁通路は、磁性をもつ材料でできており、これは基板上又は基板内に埋め込んで使用する。そして、導入部より、送液する流体が正の磁化率をもつ流体であれば、この状態で外部磁場を加えると、磁性流体はこの磁気障壁通路上にしか存在できないため、あたかも磁気の壁が生じ、存在領域が限定される。以後、磁気障壁通路上に形成される磁気の壁を磁気障壁と呼ぶ。
【０００６】
磁気通路形成材料として、反磁性体の材料を用いると、水などの反磁性流体を固体壁の存在なく送液することが可能である。即ち、磁気障壁通路は、フラットな基板上で液体の流通を行うことが可能になり、従来のように基板に溝を穿設しなくても液の送液、及び保持を行うことができる。
【０００７】
また、磁性流体は外部磁場に応答し、反発、もしくは引力を受ける。この送液される磁性液体（試料液体）はそれとは磁化率の異なる磁性液体（環境液体）で覆われる必要がある。磁化率の異なるこれらの液は外部磁場に対する応答性が異なるため、２液は容易には混合されず、分離し、その状態を保つことができる。外部磁場が印加されなければ、この２種類の磁性流体は混ざり合うが、磁場印加中は混ざり合わずに界面が形成される。送液は流路上流と下流のヘッド差による。
【特許文献１】特開２００２−２３９３６６号公報
【特許文献２】特開２００４−８２１１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述したように、マイクロデバイスにおいて化学操作を行うには、単に流体を流通させればよいのではなく、流体を流したり、遮断したりする流通制御が必要であり、このことは磁気障壁で形成した通路の場合も同様である。
【０００９】
特許文献１及び２では、かかる流体の流通制御に関しては、何ら開示されておらず、実装置として使用するには不十分である。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、磁気障壁通路又は反磁気障壁流路に沿って流す流体の流体制御を簡単な構成で高精度に行うことができるマイクロデバイスの流体制御方法及びマイクロデバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の請求項１は前記目的を達成するために、基板に配設された細線状の磁性体材料に対して外部磁場を印加することにより前記磁性体材料に沿った磁気障壁通路を形成し、該磁気障壁通路に沿って磁性流体を流通させるマイクロデバイスの流体制御方法において、前記磁性体材料の途中を断線させる断線工程と、前記断線した通路断線部を結線させる結線工程と、により、前記磁気障壁通路に沿って流れる磁性流体の流通を制御することを特徴とするマイクロデバイスの流体制御方法を提供する。
【００１２】
請求項１によれば、基板に配設された細線状の磁性体材料に対して外部磁場を印加することにより磁性体材料に沿った磁気障壁通路を形成される。そして、磁性流体はこの磁気障壁通路上にしか存在できない。これにより、あたかも磁気の壁で形成された通路を流れるが如く磁性流体が流通する。従って、ここで用いる磁気障壁通路とは、従来の溝状に形成されたマイクロ流路のように固体壁によって通路を形成するのではなく、磁気の壁によって磁性流体の流通をガイドする通路を形成することを意味する。
【００１３】
磁性流体を流す推進力としては、磁性流体が流れる上流位置と下流位置とのヘッド差（位置エネルギー）を利用することができる。ヘッド差を形成するには、例えば磁性体材料の供給位置に磁性流体を供給する供給管を立設してヘッド差をつけたり、磁気障壁通路の上流側が下流側よりも高くなるように傾斜させたりすることで達成できる。
【００１４】
そして、請求項１では、磁性体材料の途中を断線させる断線工程と、断線した通路断線部を結線させる結線工程とにより、磁気障壁通路に沿って流れる磁性流体の流通を制御するようにした。即ち、磁性体材料が断線した通路断線部には、磁性流体は流れることができないので、この通路断線部で磁性流体の流れが遮断される。そして、通路断線部を結線すれば、磁性流体は再び流れることができる。従って、断線工程と結線工程を行うことで、あたかも磁性流体が流れる配管途中に設けたバルブを開閉するのと同じことを行うことができるので、磁性流体の流通を制御することができる。
【００１５】
請求項２は請求項１において、前記磁性体材料は、複数種の磁性流体を供給する流体供給通路と、該複数の流体供給通路が合流した流体操作通路とを有すると共に、前記それぞれの流体供給通路について前記断線工程と結線工程を行うことを特徴とする。
【００１６】
請求項２によれば、複数種の磁性流体を供給する流体供給通路において断線工程と結線工程を行うことで、流体操作通路において例えば複数種の磁性流体の塊が交互に流れるプラグフローを行うことができる。これにより、複数種の磁性流体同士の混合効率を向上できる。
【００１７】
本発明の請求項３は前記目的を達成するために、基板に配設された細線状の反磁性体材料の周囲に存在する磁性環境流体に対して外部磁場を印加することにより前記反磁性体材料に沿った反磁気障壁通路を形成し、該反磁気障壁通路に沿って反磁性流体を流通させるマイクロデバイスの流体制御方法において、前記反磁性体材料の途中を断線させる断線工程と、前記断線した通路断線部を結線させる結線工程と、により、前記反磁気障壁通路に沿って流れる反磁性流体の流通を制御することを特徴とするマイクロデバイスの流体制御方法を提供する。
【００１８】
請求項３は反磁性流体（例えば水）を流通させる場合である。即ち、反磁性体材料の周囲に存在する磁性環境流体に外部磁場を印加することで、反磁性体材料に沿った部分だけが反磁性流体が流れるための反磁気障壁通路として形成される。反磁性流体はこの反磁気障壁通路上にしか存在できないので、あたかも反磁気の壁で形成された通路を流れるが如く反磁性流体が流通する。
【００１９】
そして、請求項３では、反磁性体材料の途中を断線させる断線工程と、断線した通路断線部を結線させる結線工程とを行うようにしたので、請求項１と同様の理由から反磁性流体の流通を制御することができる。
【００２０】
請求項４は請求項３において、前記反磁性体材料は、複数種の反磁性流体を供給する流体供給通路と、該複数の流体供給通路が合流した流体操作通路とを有すると共に、前記それぞれの流体供給通路について前記断線工程と結線工程を行うことを特徴とする。
【００２１】
請求項４によれば、複数種の反磁性流体を供給する流体供給通路において断線工程と結線工程を行うことで、流体操作通路において例えば複数種の反磁性流体の塊が交互に流れるプラグフローを行うことができる。これにより、複数種の反磁性流体同士の混合効率を向上できる。
【００２２】
本発明の請求項５は前記目的を達成するために、基板に配設された細線状の磁性体材料に対して外部磁場を印加することにより前記磁性体材料に沿った磁気障壁通路を形成し、該磁気障壁通路に沿って磁性流体を流通させるマイクロデバイスにおいて、前記磁性体材料の途中に形成され、該磁性体材料が所定長さの空間距離を有して断線した通路断線部と、前記通路断線部に対して出し入れ自在に設けられ、前記空間距離と同じ長さを有する磁性体材料の通路断片と、前記通路断片を前記通路断線部に出し入れすることにより、前記磁性体材料を断線及び結線する出し入れ手段と、を備えたことを特徴とするマイクロデバイスを提供する。
【００２３】
請求項５は、請求項１の方法発明を装置発明として構成したものである。即ち、磁性体材料の途中に、該磁性体材料が所定長さの空間距離を有して断線した通路断線部を形成し、この通路断線部に空間距離と同じ長さの磁性体材料の通路断片を出し入れ手段で出し入れするようにした。即ち、通路断片を通路断線部から出した（退避させた）状態では、この通路断線部分で磁性流体の流れが遮断される。そして、退避させた通路断片を通路断線部に入れて通路断線部分を結線すれば、磁性流体は再び流れることができる。従って、磁性流体の流通を制御することができる。
【００２４】
ここで、反磁性体材料の通路断片は、反磁性体材料と同一であることが好ましいが、磁性の近い通路断片を使用することもできる。また、出し入れ手段としては、手動で行ってもよいが、例えば通路断片を圧電素子等で出し入れする自動出し入れ手段を設けることが好ましい。
【００２５】
請求項６は請求項５において、前記通路断片の長さは０．５〜１ｍｍの範囲であることを特徴とする。
【００２６】
請求項６によれば、通路断片の長さが０．５〜１ｍｍであるので、磁性流体の遮断及び流通（遮断解除）を高精度に制御できる。
【００２７】
本発明の請求項７は前記目的を達成するために、基板に配設された細線状の反磁性体材料の周囲に存在する磁性環境流体に対して外部磁場を印加することにより前記反磁性体材料に沿った反磁気障壁通路を形成し、該反磁気障壁通路に沿って反磁性流体を流通させるマイクロデバイスにおいて、前記反磁性体材料の途中に形成され、該反磁性体材料が所定長さの空間距離を有して断線した通路断線部と、前記通路断線部に対して進退自在に設けられ、前記空間距離と同じ長さを有する反磁性体材料の通路断片と、前記反磁性体材料の通路断片を前記通路断線部に進退させることにより、前記反磁性体材料を断線及び結線する進退手段と、を備えたことを特徴とするマイクロデバイスを提供する。
【００２８】
請求項７は、請求項３の方法発明を装置発明として構成したものである。即ち、反磁性体材料の途中に、該反磁性体材料が所定長さの空間距離を有して断線した通路断線部を形成し、この通路断線部に空間距離と同じ長さの反磁性体材料の通路断片を出し入れ手段で出し入れするようにした。即ち、通路断片を通路断線部から出した（退避させた）状態では、この通路断線部で反磁性流体の流れが遮断される。そして、退避させた通路断片を通路断線部に入れて通路断線部分を結線すれば、反磁性流体は再び流れることができる。従って、反磁性流体の流通を制御することができる。ここで、通路断片は、反磁性体材料と同一であることが好ましいが、磁性の近い通路断片を使用することもできる。また、出し入れ手段としては、手動で行ってもよいが、例えば通路断片を圧電素子等で出し入れする自動出し入れ手段を設けることが好ましい。
【００２９】
請求項８は請求項７において、前記通路断片の長さは０．５〜１ｍｍの範囲であることを特徴とする。
【００３０】
請求項６と同様の理由から、反磁性流体の遮断及び流通（遮断解除）を高精度に制御できる。
【００３１】
上記における磁性流体又は反磁性流体としては、液体、気体、気体を溶解する液体、固体粒子が分散する液体及び気体のように、磁気障壁通路又は反磁気障壁通路を通過可能な全ての流体を含む。また、外部磁場とは、磁性体材料の外部に設けた磁力発生装置、例えば永久磁石や電磁石により生じた磁場をいう。また、磁場の向きは上下方向、水平方向、斜め方向、更に曲線状の複雑な方向も可能であり、適宜選択できる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、磁気障壁通路又は反磁気障壁流路に沿って流す流体の流通や遮断を簡単な構成で高精度に行うことができる。即ち、磁気障壁通路又は反磁気障壁流路を形成する磁性体材料又は反磁性体材料の通路断線部に、通路断片を出し入れすることにより、配管に設けたバルブと同様に通路開閉機能を発現することができる。また、通路断片の出し入れの程度を厳密に決めることで、流体の流通・遮断制御のみならず流量制御も行うことができる。
【００３３】
更には、通路断線部に通路断片を出し入れする周期を制御することで、通路断線部の後段に送液する流体量を決めることができるので、流体を秤量する効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、添付図面に従って、本発明に係るマイクロデバイスの流体制御方法及びマイクロデバイスの好ましい実施の形態について詳説する。
【００３５】
図１は、本発明に係るマイクロデバイス１０の構成の一例について説明する概念図である。図２は、流体の流れ方向に沿った側面断面図である。なお、本実施の形態では、２種類の磁性流体Ａ，Ｂを合流させて反応、混合等の化学操作を行うマイクロデバイスの例で説明する。ここで、磁性流体とは強磁性流体、常磁性流体の何れかを意味する。
【００３６】
これらの図に示すように、基板１２の上に、内部に空洞部１４Ａを有する蓋部材１４が固定され、基板１２の下面にはＮ極の磁石１６が設けられ、蓋部材１４の上面にはＳ極の磁石１８が設けられる。これにより、マイクロデバイス１０の本体部２０が形成される。外部磁場装置である磁石１６、１８は、電磁石と永久磁石とのいずれをも使用できるが、印加する外部磁場の強度は、０．０１Ｔ（テスラー）〜１Ｔ（テスラー）の極めて強い磁場を発生できることが好ましく、０．１Ｔ（テスラー）〜１Ｔ（テスラー）の範囲であることが一層好ましい。
【００３７】
また、基板１２の表層部には、Ｙ字形状をした細線状の磁性体材料２２が埋設される。磁性体材料２２は、強磁性又は常磁性を有する材料であり、鉄ワイヤーを好適に使用できる。なお、磁性体材料２２は基板１２に埋設しないで、基板１２上に設けることもできる。細線状の磁性体材料２２の太さ（径）は１ｍｍ以下であることが好ましく、５００μｍ以下であることが一層好ましい。
【００３８】
そして、細線状の磁性体材料２２に対して上述の外部磁場装置で外部磁場を印加することにより磁性体材料２２に沿った磁気障壁通路を形成し、該磁気障壁通路に沿って磁性流体を流通させることができる。
【００３９】
基板１２及び蓋部材１４の材料としては、各種樹脂板、より具体的には、ポリジメチルスルホキシド（ＰＤＭＳ）、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、紫外線硬化樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）等が採用できる。
【００４０】
また、上記のほかにも、耐熱、耐圧及び耐溶剤性、加工容易性等の要求に応じて、金属、ガラス、セラミックス、プラスチック、シリコン、及びテフロン（登録商標）等の樹脂を好適に使用でき、特に、ポリスチレン樹脂、ＰＭＭＡ樹脂、石英ガラス、パイレックス（登録商標）ガラスが好ましい。また、磁性体材料２２を基板１２上に設ける場合には、磁性体材料２２の上をフッソ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂等の不活性なフィルムで被覆することが好ましい。
【００４１】
ここで、Ｙ字形状をした磁性体材料２２の各部分の名称として、図３に示すように、２つの流体導入部２２Ａ，２２Ｂ、２本の流体供給通路２２Ｃ，２２Ｄ、１つの流体合流部２２Ｅ、１本の流体操作通路２２Ｆ（反応、混合等の化学操作を行う通路）、１つの流体排出部２２Ｇとに区分けする。なお、本実施の形態では、Ｙ字形状をした磁性体材料２２を使用したため、流体供給通路が２本になるが、３本以上でもよい。
【００４２】
２種類の磁性流体Ａ，Ｂを導入する一対の流体導入管２４Ａ，２４Ｂが、その先端を流体導入部２２Ａ，２２Ｂまで延設させた状態で、本体部２０に立設され、流体導入管２４Ａ，２４Ｂにはマイクロシリンジ２６Ａ，２６Ｂにより磁性流体Ａ，Ｂが導入される。流体導入管２４Ａ，２４Ｂから導入する磁性流体の流量は、０．０１ｍＬ／分〜１０ｍＬ／分の微小量の範囲であることが好ましい。
【００４３】
一方、流体排出部２２Ｇには、その先端が本体部２０から外部に延設された排出管２８が設けられ、２種類の磁性流体Ａ，Ｂが反応又は混合して得られた処理流体が排出管２８を介して外部に排出される。磁気障壁通路を流れる磁性流体Ａ，Ｂは、摩擦抵抗を殆ど受けずに流れるので、流体排出時に抵抗を受けると、流体の流通が停滞してしまう。従って、排出管２８の径を太くして排出抵抗を小さくすることが好ましい。
【００４４】
また、本体部２０には、蓋部材１４の空洞部１４Ａに環境流体を流入して空洞部１４Ａを満たすことにより、磁性体材料２２の周囲に反磁性環境を形成するための環境流体導入管３０及び空気抜き管３２が連結される。なお、環境流体が空気である場合には、蓋部材１４の空洞部１４Ａに空気を流入する必要はない。
【００４５】
また、図３に示すように、 磁性体材料２２の流体供給通路２２Ｃ，２２Ｄには、該磁性体材料２２が所定長さの空間距離Ｌを有して断線した通路断線部３４が設けられ、この通路断線部３４に対して空間距離Ｌと同じ長さを有する磁性体材料２２の通路断片３６が出し入れ自在に配置される。これにより、図４（Ａ）に示すように、通路断片３６を通路断線部３４に入れた状態では、磁性体材料２２は結線された状態を形成する。また、図４（Ｂ）に示すように、通路断片３６を通路断線部３４から出すことにより、磁性体材料２２が断線した状態を形成する。この場合、磁性体材料２２の断線及び結線を確実に行うには、通路断片３６の長さ（空間距離Ｌ）が０．５〜１ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００４６】
この磁性体材料２２の断線及び結線を行うには、例えば、図３に示すように、通路断片３６を支持するアーム３８を設けて、このアームを手動あるいは自動で移動させることができる。しかし、図５に示すように、０．５〜１ｍｍの長さの磁性体材料２２の通路断片３６を埋め込んだブロック４０を形成すると共に、通路断線部３４を含み、ブロック４０と嵌合する空洞部４２を基板１２に形成する。通路断片３６の両端はブロック４０の両側面から露出している。そして、空洞部４２に対してブロック４０を矢印ｂ方向に押し込んで空洞部４２の奥壁４２Ａに突き当てると、磁性体材料２２が結線されるようにする。また、空洞部４２に対してブロック４０を矢印ａ方向に引き抜くことで、磁性体材料２２が断線するようにする。これにより、高精度な断線及び結線を実現できる。
【００４７】
通路断片３６による磁性体材料２２の断線及び結線を繰り返す周期は、１００Ｈｚ以下であることが好ましい。ここで、断線及び結線の周期とは、断線と結線を１サイクルとしたときの１分間におけるサイクル数であり、周期が大きくなるほど、断線と結線の間隔が短くなる。
【００４８】
ブロック４０を自動的に出し入れするための駆動力を付与する出し入れ手段としては、例えば、マイクロなピストンシリンダ、圧電素子、形状記憶合金とヒータを組み合わせ等のように、ブロック４０を微小距離移動させることができる手段を好適に用いることができる。
【００４９】
また、図示しないが、磁気障壁通路を流通する磁性流体Ａ，Ｂが非粘性流体のように振る舞うことを利用し、マイクロデバイス１０と既存の混合手法である、例えば表面弾性波、自然対流、超音波等とを組み合わせることもできる。
【００５０】
次に、上記の如く構成されたマイクロデバイス１０の流体制御方法を図６及び図７を使用して説明する。ここでは、流体制御の一例として、Ｙ字の磁性体材料２２の流体操作通路２２Ｆに磁性流体Ａのプラグ（塊）と磁性流体Ｂのプラグ（塊）とが交互に流通するプラグフローの例で説明する。
【００５１】
先ず、基板１２に配設されたＹ字状の磁性体材料２２に対して外部磁場を印加することにより、磁性体材料２２に沿った磁気障壁通路を形成する。この場合、蓋部材１４の空洞部１４Ａ内に供給する環境流体としては、水等の反磁性流体を使用できる。そして、図６（Ａ）に示すように、磁性体材料２２における２本の流体供給通路２２Ｃ，２２Ｄに形成した通路断線部３４から通路断片３６を出した状態にして断線させておく。この状態でマイクロシリンジ２６Ａ，２６Ｂを使用して磁性流体Ａ，Ｂをそれぞれの流体導入管２４Ａ，２４Ｂに導入する（ステップ１）。これにより、流体供給通路２２Ｃ，２２Ｄに導入された磁性流体Ａ，Ｂは、ともに通路断線部３４の手前で流れが停止する。
【００５２】
次に、図６（Ｂ）に示すように、流体供給通路２２Ｃの通路断線部３４に通路断片３６を入れて結線すると共に、流体供給通路２２Ｄは断線状態のまま維持する（ステップ２）。これにより、流体操作通路２２Ｆには磁性流体Ａのみが流れる。
【００５３】
次に、図６（Ｃ）に示すように、磁性流体Ａの流体供給通路２２Ｃを断線し、磁性流体Ｂの流体供給通路２２Ｄを結線する（ステップ３）。これにより、流体操作通路２２Ｆには磁性流体Ｂのみが流れる。
【００５４】
上記ステップ２とステップ３を繰り返すことにより、図７にように、流体操作通路２２Ｆには磁性流体Ａと磁性流体Ｂとが交互に流れるプラグフローが形成される。このように、プラグフローを形成することで、磁性流体Ａと磁性流体Ｂとの接触面積を大きくできるので、混合性能を向上できる。また、断線及び結線の周期を大きくすることで、小さなプラグを形成できる。
【００５５】
なお、上記の実施の形態では、磁性流体を流す例で説明したため、磁気障壁通路を形成する材料として磁性体材料２２を使用したが、水のように反磁性流体（磁化率の低い流体）を流す場合には、反磁性体材料を使用すると共に環境流体として磁性流体を使用し、磁石により環境流体に外部磁場を印加することで反磁気障壁通路を形成する。
【００５６】
反磁性体材料としては、例えば銅、ビスマス等を好適に使用できる。環境流体を形成する磁性流体としては強磁性又は常磁性の流体を使用できる。例えば、環境流体として、空気又は磁化率が水よりも高い水溶液もしくは油とする。ここで、油とは水に不溶な液を指す。なお、空気のような気体は、酸素分圧を高めた方がより低い磁場で効果的な反磁気障壁通路を作ることができるため、環境流体として酸素濃度が高い空気を使用することも好ましい。
【実施例】
【００５７】
次に、図１に示したマイクロデバイスを用いて、２種類の磁性流体Ａ，Ｂを流通させると共に、２本の流体供給通路２２Ｃ，２２Ｄに設けたそれぞれの通路断片３６を通路断線部３４に対して交互に出し入れすることで、磁性流体Ａ，Ｂを流体操作通路２２Ｆにおいて混合する実施例を説明する。
【００５８】
Ｙ字形状に形成された磁性体材料２２の太さ（径）は、１ｍｍとすると共に、通路断片３６の長さを１ｍｍとした。また。磁性流体Ａ，Ｂは、常磁性流体である硫酸ニッケル水溶液（濃度１．４mol/L)を用い、環境流体として反磁性流体である水を用いた。また、磁性流体Ａ，Ｂを可視的に区別できるように、磁性流体Ａには赤色の色素を含有させて赤色に着色した。一方、磁性流体Ｂには青色の色素を含有させた青色に着色した。
【００５９】
一対の流体導入管２４Ａ、２４Ｂからは、マイクロシリンジ２６Ａ，２６Ｂを用いて赤色の磁性流体Ａと青色の磁性流体Ｂとを１ｍＬ／分の流量で導入し、それぞれの流体供給通路２２Ｃ，２２Ｄに設けた通路断線部３４に対して通路断片３６を交互に出し入れした。通路断片３６を出し入れする周期は５０Ｈｚで行った。これにより、流体操作通路２２Ｆには、赤色の磁性流体Ａと青色の磁性流体Ｂとが交互に形成されたプラグフローが形成された。
【００６０】
比較例として、それぞれの流体供給通路２２Ｃ，２２Ｄに通路断線部３４及び通路断片３６を設けずに、一対の流体導入管２４Ａ、２４Ｂからは、マイクロシリンジ２６Ａ，２６Ｂを用いて赤色の磁性流体Ａと青色の磁性流体Ｂとを１ｍＬ／分の流量で導入した。
【００６１】
そして、実施例と比較例とについて、排出管２８から排出された排出液の混合度合を目視にて対比した結果、実施例は比較例よりも赤色と青色の混合が十分行われていた。
【００６２】
このように、通路断片３６を通路断線部３４に出し入れして磁性流体Ａと磁性流体Ｂとのプラグフローを形成することで、磁性流体Ａと磁性流体Ｂとの混合を顕著に促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係るマイクロデバイスの全体斜視図
【図２】マイクロデバイスの磁気障壁通路に沿った側面断面図
【図３】Ｙ字形状の磁性体材料の各部分の名称を説明する説明図
【図４】磁性体材料の断線・結線を説明する説明図
【図５】通路断片の通路断線部に出し入れする態様の一例を示す概念図
【図６】本発明のマイクロデバイスの流体制御方法の一例を説明する説明図
【図７】本発明のマイクロデバイスの流体制御方法の結果を説明する説明図
【符号の説明】
【００６４】
１０…マイクロデバイス、１２…基板、１４…蓋部材、１６、１８…磁石（外部磁気装置）、２０…マイクロデバイスの本体部、２２…磁性体材料、２２Ａ，２２Ｂ…流体導入部、２２Ｃ，２２Ｄ…流体供給通路、２２Ｅ…流体合流部、２２Ｆ…流体操作通路、２２Ｇ…流体排出部、２４Ａ，２４Ｂ…流体導入管、２６Ａ，２６Ｂ…マイクロシリンジ、２８…排出管、３０…環境流体導入管、３２…空気抜き管、３４…通路断線部、３６…通路断片、３８…アーム、４０…通路断片を有するブロック、４２…空洞部、Ａ…磁性流体、Ｂ…磁性流体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に配設された細線状の磁性体材料に対して外部磁場を印加することにより前記磁性体材料に沿った磁気障壁通路を形成し、該磁気障壁通路に沿って磁性流体を流通させるマイクロデバイスの流体制御方法において、
前記磁性体材料の途中を断線させる断線工程と、
前記断線した通路断線部を結線させる結線工程と、により、前記磁気障壁通路に沿って流れる磁性流体の流通を制御することを特徴とするマイクロデバイスの流体制御方法。
【請求項２】
前記磁性体材料は、複数種の磁性流体を供給する流体供給通路と、該複数の流体供給通路が合流した流体操作通路とを有すると共に、前記複数の流体供給通路について前記断線工程と結線工程を行うことを特徴とする請求項１のマイクロデバイスの流体制御方法。
【請求項３】
基板に配設された細線状の反磁性体材料の周囲に存在する磁性環境流体に対して外部磁場を印加することにより前記反磁性体材料に沿った反磁気障壁通路を形成し、該反磁気障壁通路に沿って反磁性流体を流通させるマイクロデバイスの流体制御方法において、
前記反磁性体材料の途中を断線させる断線工程と、
前記断線した通路断線部を結線させる結線工程と、により、前記反磁気障壁通路に沿って流れる反磁性流体の流通を制御することを特徴とするマイクロデバイスの流体制御方法。
【請求項４】
前記反磁性体材料は、複数種の反磁性流体を供給する流体供給通路と、該複数の流体供給通路が合流した流体操作通路とを有すると共に、前記それぞれの流体供給通路について前記断線工程と結線工程を行うことを特徴とする請求項３のマイクロデバイスの流体制御方法。
【請求項５】
基板に配設された細線状の磁性体材料に対して外部磁場を印加することにより前記磁性体材料に沿った磁気障壁通路を形成し、該磁気障壁通路に沿って磁性流体を流通させるマイクロデバイスにおいて、
前記磁性体材料の途中に形成され、該磁性体材料が所定長さの空間距離を有して断線した通路断線部と、
前記通路断線部に対して出し入れ自在に設けられ、前記空間距離と同じ長さを有する磁性体材料の通路断片と、
前記通路断片を前記通路断線部に出し入れすることにより、前記磁性体材料を断線及び結線する出し入れ手段と、を備えたことを特徴とするマイクロデバイス。
【請求項６】
前記通路断片の長さは０．５〜１ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項５のマイクロデバイス。
【請求項７】
基板に配設された細線状の反磁性体材料の周囲に存在する磁性環境流体に対して外部磁場を印加することにより前記反磁性体材料に沿った反磁気障壁通路を形成し、該反磁気障壁通路に沿って反磁性流体を流通させるマイクロデバイスにおいて、
前記反磁性体材料の途中に形成され、該反磁性体材料が所定長さの空間距離を有して断線した通路断線部と、
前記通路断線部に対して出し入れ自在に設けられ、前記空間距離と同じ長さを有する反磁性体材料の通路断片と、
前記通路断片を前記通路断線部に出し入れすることにより、前記反磁性体材料を断線及び結線する進退手段と、を備えたことを特徴とするマイクロデバイス。
【請求項８】
前記通路断片の長さは０．５〜１ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項７のマイクロデバイス。
【請求項１】
基板に配設された細線状の磁性体材料に対して外部磁場を印加することにより前記磁性体材料に沿った磁気障壁通路を形成し、該磁気障壁通路に沿って磁性流体を流通させるマイクロデバイスの流体制御方法において、
前記磁性体材料の途中を断線させる断線工程と、
前記断線した通路断線部を結線させる結線工程と、により、前記磁気障壁通路に沿って流れる磁性流体の流通を制御することを特徴とするマイクロデバイスの流体制御方法。
【請求項２】
前記磁性体材料は、複数種の磁性流体を供給する流体供給通路と、該複数の流体供給通路が合流した流体操作通路とを有すると共に、前記複数の流体供給通路について前記断線工程と結線工程を行うことを特徴とする請求項１のマイクロデバイスの流体制御方法。
【請求項３】
基板に配設された細線状の反磁性体材料の周囲に存在する磁性環境流体に対して外部磁場を印加することにより前記反磁性体材料に沿った反磁気障壁通路を形成し、該反磁気障壁通路に沿って反磁性流体を流通させるマイクロデバイスの流体制御方法において、
前記反磁性体材料の途中を断線させる断線工程と、
前記断線した通路断線部を結線させる結線工程と、により、前記反磁気障壁通路に沿って流れる反磁性流体の流通を制御することを特徴とするマイクロデバイスの流体制御方法。
【請求項４】
前記反磁性体材料は、複数種の反磁性流体を供給する流体供給通路と、該複数の流体供給通路が合流した流体操作通路とを有すると共に、前記それぞれの流体供給通路について前記断線工程と結線工程を行うことを特徴とする請求項３のマイクロデバイスの流体制御方法。
【請求項５】
基板に配設された細線状の磁性体材料に対して外部磁場を印加することにより前記磁性体材料に沿った磁気障壁通路を形成し、該磁気障壁通路に沿って磁性流体を流通させるマイクロデバイスにおいて、
前記磁性体材料の途中に形成され、該磁性体材料が所定長さの空間距離を有して断線した通路断線部と、
前記通路断線部に対して出し入れ自在に設けられ、前記空間距離と同じ長さを有する磁性体材料の通路断片と、
前記通路断片を前記通路断線部に出し入れすることにより、前記磁性体材料を断線及び結線する出し入れ手段と、を備えたことを特徴とするマイクロデバイス。
【請求項６】
前記通路断片の長さは０．５〜１ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項５のマイクロデバイス。
【請求項７】
基板に配設された細線状の反磁性体材料の周囲に存在する磁性環境流体に対して外部磁場を印加することにより前記反磁性体材料に沿った反磁気障壁通路を形成し、該反磁気障壁通路に沿って反磁性流体を流通させるマイクロデバイスにおいて、
前記反磁性体材料の途中に形成され、該反磁性体材料が所定長さの空間距離を有して断線した通路断線部と、
前記通路断線部に対して出し入れ自在に設けられ、前記空間距離と同じ長さを有する反磁性体材料の通路断片と、
前記通路断片を前記通路断線部に出し入れすることにより、前記反磁性体材料を断線及び結線する進退手段と、を備えたことを特徴とするマイクロデバイス。
【請求項８】
前記通路断片の長さは０．５〜１ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項７のマイクロデバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−８２８３１（Ｐ２００９−８２８３１Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５６７５７（Ｐ２００７−２５６７５７）
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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