刺激応答性開閉部材、開閉機構、および流路デバイス
【課題】 本発明は、用途に応じた実用的な流量の流体輸送を精密に制御することが可能であって、強度や安定性を備え、電源や配線の不要な自律駆動型の刺激応答性開閉部材、開閉機構、および流路デバイスを提供することを目的とするものである。
【解決手段】 シート状の可撓性材料に放射状のスリットを設け、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域に刺激応答性高分子ゲルを固定化して開閉部材を形成し、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域の前記シート状の可撓性部材を、刺激に応じて可逆的に屈曲させて、前記スリットを略円状または多角形状に開口させることにより、上記課題を解決する。
【解決手段】 シート状の可撓性材料に放射状のスリットを設け、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域に刺激応答性高分子ゲルを固定化して開閉部材を形成し、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域の前記シート状の可撓性部材を、刺激に応じて可逆的に屈曲させて、前記スリットを略円状または多角形状に開口させることにより、上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、刺激応答性高分子ゲルの体積相転移を利用して駆動する刺激応答性開閉部材、開閉機構、および流路デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在広く実用化されているアクチュエータとしては、電気駆動による電磁モータや圧電素子、流体圧駆動による油圧アクチュエータや空気アクチュエータが、主だったものである。
一方、医療分野やマイクロデバイスの分野においては、小型のアクチュエータの必要性が高くなっている。このような用途においては、生体が有する筋肉のようなアクチュエータが有用であり、高分子材料をアクチュエータとして応用する研究開発が行われている。
高分子材料の特性を利用したアクチュエータは、小型軽量であること、柔軟性に富むこと、動作音がないことなどの特徴を有しており、その代表例として、導電性高分子アクチュエータや高分子ゲルアクチュエータがある。
【０００３】
上述のような導電性高分子アクチュエータは、導電性高分子に電圧又は電流を印加することによって導電性高分子が伸縮し、これを駆動力とするものである（例えば、特許文献１）。
一方、高分子ゲルアクチュエータは、温度やイオン濃度などの外部刺激に応じて高分子ゲルが体積変化する特性を駆動に利用するものであり、例えば、高分子ゲルをマイクロ流路デバイスの管壁に密着形成し、温度変化に応じて体積変化させて流路を塞ぐことで流量制御する送液システムが提案されている（例えば、特許文献２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４６２５５４５号公報
【特許文献２】特許第４６２５９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、上述のような導電性高分子アクチュエータは、電圧又は電流を印加することによって駆動するため、電源や配線を必要とし、その構成は複雑となる。それゆえ、限られたスペースでの駆動が必要な用途や、電源等から独立して使われる自律駆動型のアクチュエータが求められる用途などには不向きである。
【０００６】
一方、上述のような刺激応答性の高分子ゲルを利用するアクチュエータであれば、電源や配線を必要とせず、自律駆動型のアクチュエータとすることができる。
【０００７】
しかしながら、高分子ゲルは、本来脆弱な物質であり、刺激応答性の高分子ゲル自体をアクチュエータとする場合（例えば、上述のように、刺激応答性の高分子ゲル自体で流路の開閉を行う場合）には、アクチュエータとしての物理的強度や化学的安定性に欠ける恐れがある。
【０００８】
また、流路を塞ぐためには、管の内径に応じた大きさの高分子ゲルが必要となり、さらに、高分子ゲル自体が流体の圧力に対抗する部材であるため、流れ方向にも対抗力を有する大きさにする必要がある。
しかしながら、刺激応答性高分子ゲルの刺激に応じた体積変化速度は、高分子ゲルの大きさが増すほど遅くなる（例えば、球形のゲルであれば、ゲルの膨潤緩和時間はゲルの最終半径の２乗に反比例して長くなる）ため、高分子ゲル自体で流路の開閉を行う場合には、その大きさに応じて開閉部材としての駆動速度は遅くなり、精密な流量制御は困難になる。
それゆえ、実用的な流量、すなわち、用途に応じたある程度の大きさの流量を、精密に応答性良く制御する手法が望まれている。
【０００９】
また、医療分野や精密分析の分野によっては、所定量の反応液を、多数の流路で制御するような要望もある。この場合、流量に応じて多種の細管を設けるとなるとその構成は複雑になり、流路デバイスとしてはコストもかかり、設計や製造も困難になる。
【００１０】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、用途に応じた実用的な流量の流体輸送を精密に制御することが可能であって、強度や安定性を備え、電源や配線の不要な自律駆動型の刺激応答性開閉部材、開閉機構、および流路デバイス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】
【００１１】
本発明者は、種々研究した結果、シート状の可撓性材料に放射状のスリットを設け、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域に刺激応答性高分子ゲルを固定化し、刺激に応じて、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域の前記シート状の可撓性部材を可逆的に屈曲させて、前記スリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口させることで、上記課題を解決できることを見出して本発明を完成したものである。
【００１２】
すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、１又は２以上のスリットが設けられたシート状の可撓性材料の少なくとも片面に、刺激応答性高分子ゲルが固定化されている開閉部材であって、前記スリットは、１点から放射状に延びた線群からなり、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域に、前記刺激応答性高分子ゲルが固定化されていることを特徴とする刺激応答性開閉部材である。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る発明は、前記スリットが、六角形の対角線を構成する線群からなることを特徴とする請求項１に記載の刺激応答性開閉部材である。
【００１４】
また、本発明の請求項３に係る発明は、前記刺激応答性高分子ゲルが、温度応答性高分子ゲルであることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の刺激応答性開閉部材である。
【００１５】
また、本発明の請求項４に係る発明は、前記温度応答性高分子ゲルが、架橋されたアクリルアミド系ポリマーのゲルであることを特徴とする請求項３に記載の刺激応答性開閉部材である。
【００１６】
また、本発明の請求項５に係る発明は、前記架橋されたアクリルアミド系ポリマーが、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドであることを特徴とする請求項４に記載の刺激応答性開閉部材である。
【００１７】
また、本発明の請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の刺激応答性開閉部材を備えた開閉機構であって、前記刺激応答性高分子ゲルが、刺激に応じて水溶液中で可逆的に収縮することにより、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域の前記シート状の可撓性部材を可逆的に屈曲させて、前記スリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口し、前記刺激応答性高分子ゲルが、刺激に応じて水溶液中で可逆的に膨潤することにより、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域の前記シート状の可撓性部材を可逆的に屈曲させて、前記スリットを１点に閉口することを特徴とする開閉機構である。
【００１８】
また、本発明の請求項７に係る発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の刺激応答性開閉部材を備えた流路デバイスであって、流路として1又は２以上の細管を有しており、前記の各細管に応じて備えられる前記刺激応答性開閉部材が、同数又は異なる数の前記スリットを有していることを特徴とする流路デバイスである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、刺激応答性高分子ゲルの体積相転移を利用して、シート状の可撓性材料に設けられた放射状のスリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口させることや、１点に閉口させたりすることができるため、電源や配線の不要な自律駆動型の開閉部材、開閉機構、および流路デバイスを提供することができる。
【００２０】
また、本発明の開閉部材は、シート状の可撓性材料で流体を封じることができるため、この可撓性材料に強度や耐薬品性のある各種の合成樹脂フィルムを用いることにより、高分子ゲル自体が開閉部材である場合に比べて、物理的強度や化学的安定性に優れるという効果がある。
【００２１】
また、本発明の開閉部材の開閉駆動には、シート状の可撓性材料の表面と共有結合する刺激応答性高分子ゲルの表面近傍の収縮又は膨潤が寄与するため、高分子ゲルには一定の平面積が求められても、その厚みは薄くすることができる。
そして、本発明の開閉部材は、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域が、刺激に応じて上方向または下方向に屈曲することで、前記スリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口することができるため、使用する高分子ゲルの体積を小さく抑えた状態でありながら、大きな開口を生じさせることができる。
それゆえ、塊状の高分子ゲルを用いる場合よりも開閉の駆動速度を向上させることができ、実用的な流量、すなわち、用途に応じたある程度の大きさの流量を、精密に応答性良く制御することが可能である。
【００２２】
また、本発明においては、１つの開閉部材に複数の放射状スリットを設けることができるため、流路を構成する多数の細管の径が同一であっても、異なる流量で精密に制御して流体輸送することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る刺激応答性開閉部材の一例を説明する図であり、（ａ）は概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）は開口状態の断面図である。
【図２】本発明に係る刺激応答性開閉部材の他の例を説明する図であり、（ａ）は概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図であり、（ｃ）は開口状態の断面図である。
【図３】本発明に係る刺激応答性開閉部材を備えた流路デバイスの例を説明する図であり、（ａ）は要部の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【図４】本発明に係る刺激応答性開閉部材の製造方法の一例を示す模式的工程図である。
【図５】従来の刺激応答性開閉部材を備えた流路デバイスを説明する図であり、（ａ）は要部の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【図６】従来の屈曲開閉部材を備えた流路デバイスを説明する図であり、（ａ）は要部の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の刺激応答性開閉部材、開閉機構、および流路デバイスについて詳細に説明する。
【００２５】
まず、本発明の刺激応答性開閉部材および開閉機構の一例について説明する。
図１は、本発明に係る刺激応答性開閉部材の一例を説明する図であり、（ａ）は概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）は開口状態の断面図である。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明に係る刺激応答性開閉部材は、１又は２以上のスリットが設けられたシート状の可撓性材料の少なくとも片面に、刺激応答性高分子ゲルが固定化されている開閉部材であって、前記スリットは、１点から放射状に延びた線群からなり、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域に、前記刺激応答性高分子ゲルが固定化されていることを特徴とする。
【００２６】
そして、例えば図１（ｃ）に示すように、上述の刺激応答性開閉部材に特定の刺激を与えると、刺激応答性高分子ゲルは刺激に応じて収縮し、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域の前記シート状の可撓性部材を可逆的に屈曲させて、平面視上、放射状のスリットを、略円状または多角形状に開口することになる。
【００２７】
なお、上述の「スリットによって上下方向に屈曲する領域」とは、スリットによって形成される片持ち梁状となる領域のことであり、図１（ａ）においては、円状の刺激応答性開閉部材４を略６等分にした略Ｖ字状（扇状）の領域が相当する。
【００２８】
上述の刺激応答性高分子ゲルの収縮は、可逆的な体積変化であり、刺激を取り去ることで、また元の大きさに膨潤する。つまり、刺激が無くなると、上述のように、開口したスリットは、また１点に閉じることになる。
それゆえ、上述のような刺激応答性開閉部材を備えた開閉機構であれば、電源や配線の不要な自律駆動型の開閉機構とすることができる。
【００２９】
また、本発明の開閉部材は、シート状の可撓性材料で流体を封じることができるため、この可撓性材料に強度や耐薬品性のある各種の合成樹脂フィルムを用いることにより、高分子ゲル自体が開閉部材である場合に比べて、物理的強度や化学的安定性に優れるという効果がある。
【００３０】
また、本発明の開閉部材の開閉駆動には、シート状の可撓性材料の表面と共有結合する刺激応答性高分子ゲルの表面近傍の収縮又は膨潤が寄与するため、高分子ゲルには平面積が求められても、その厚みは薄くすることができる。
そして、本発明の開閉部材は、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域が、刺激に応じて上方向または下方向に屈曲することで、前記スリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口することができるため、使用する高分子ゲルの体積を小さく抑えた状態でありながら、大きな開口を生じさせることができる。
それゆえ、塊状の高分子ゲルを用いる場合よりも開閉の駆動速度を向上させることができ、実用的な流量、すなわち、用途に応じたある程度の大きさの流量を、精密に応答性良く制御することが可能である。
【００３１】
また、本発明においては、１つの開閉部材に複数の放射状スリットを設けることができるため、流路を構成する多数の細管の径が同一であっても、異なる流量で精密に制御して流体輸送することが可能である。
【００３２】
ここで、本発明の開閉部材の有する優れた制御性、すなわち、流体輸送を精密に制御する性能について、本発明に係る刺激応答性開閉部材を備えた流路デバイスの例を用いて説明する。
図３は、本発明に係る刺激応答性開閉部材を備えた流路デバイスの例を説明する図であり、（ａ）は要部の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
本発明に係る流路デバイスは、流路として１又は２以上の細管を有しており、前記の各細管に応じて備えられる前記刺激応答性開閉部材が、同数又は異なる数のスリットを有している。
【００３３】
例えば、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明に係る流路デバイス１０において、細管１１ａには３つの放射状スリットが設けられた本発明の刺激応答性開閉部材１ａが備えられており、細管１１ｂには２つの放射状スリットが設けられた本発明の刺激応答性開閉部材１ｂが備えられており、細管１１ｃには１つの放射状スリットが設けられた本発明の刺激応答性開閉部材１ｃが備えられている。
【００３４】
このような構成を有しているため、本発明の流路デバイスにおいては、例え、細管１１ａ、１１ｂ、１１ｃが同じ径であっても、各細管に応じて備えられる刺激応答性開閉部材１ａ、１ｂ、１ｃが、異なる数の放射状スリットを有しているため、各細管を流れる流体Ｐ、Ｑ、Ｒの流量を異なる量に制御することができる。
それゆえ、本発明の流路デバイスにおいては、多数の細管を用いて流量制御する必要がある場合でも、各細管の径を統一することができ、流路デバイスの設計、ならびに製造を容易にすることができる。
【００３５】
一方、従来の、刺激応答性高分子ゲルを流路デバイスの管壁に密着形成し、刺激応答性高分子ゲル自体で流路の開閉を行う方式の場合は、例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、流体Ｐ、Ｑ、Ｒの流量を異なる量に制御するためには、刺激応答性高分子ゲルの大きさ、すなわち、刺激応答性開閉部材１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの大きさを流量に応じて変更する必要があり、また、この大きさ変更に伴って、各細管１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃも各々異なる径にする必要がある。
それゆえ、流量に応じて多種の細管を設けるとなるとその構成は複雑になり、流路デバイスとしてはコストもかかり、設計や製造も困難になる。
【００３６】
ここで、本発明においては、刺激応答性開閉部材１ａ、１ｂ、１ｃの有する各放射状スリットは異なる大きさであっても良い。
しかしながら、刺激応答性開閉部材１ａ、１ｂ、１ｃに設ける各放射状スリットを同じ大きさを同じにしておけば、放射状スリットの数で流体Ｐ、Ｑ、Ｒの流量を制御することができ、さらには、各放射状スリットに固定化する刺激応答性高分子ゲルも各スリットで同じ条件にしておけば、各放射状スリットの開閉の応答速度は同じになり、均一かつ応答性の高い流量制御を行うことができる。
そして、本発明の刺激応答性開閉部材においては、スリットおよび固定化する刺激応答性高分子ゲルを、シート状の可撓性材料に、同一条件で複数形成することは容易である。
【００３７】
一方、従来の、刺激応答性高分子ゲル自体で流路の開閉を行う方式の場合は、例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、流量に応じて刺激応答性高分子ゲルの大きさ、すなわち刺激応答性開閉部材１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの大きさを変更する必要があるが、刺激応答性高分子ゲルの刺激に応じた体積変化速度は、高分子ゲルの大きさに依存するため、刺激応答性高分子ゲルの大きさを変更してしまうと、各開閉部材１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの応答速度は異なってしまい、均一かつ応答性の高い流量制御を行うことは困難になる。
【００３８】
次に、従来の屈曲開閉部材を備えた流路デバイスと比べた場合の、本発明の優位性について説明する。
図６は、従来の屈曲開閉部材を備えた流路デバイスを説明する図であり、（ａ）は要部の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
図６（ａ）、（ｂ）に示す流路デバイス１２０の開閉部材は、屈曲駆動する部材からなり、屈曲駆動する部材の平面部（腹部）で細管を塞ぐことで、流体の流れを封じている。
上述のような、開閉部材としては、例えば、熱膨張率の異なる２種の金属からなるバイメタルなどが挙げられる。
しかしながら、上述のような屈曲駆動する部材の平面部（腹部）で細管を塞ぐ方式で、流体Ｐ、Ｑ、Ｒの流量を異なる量に制御する場合は、例えば、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、少なくとも、流体の流れに対して開閉部材（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ）よりも前に設けられる細管（１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ）は、流量に応じて各々異なる径にする必要がある。
そして、流量に応じて多種の細管を設けるとなると、その構成は複雑になり、流路デバイスとしてはコストもかかり、設計や製造も困難になる。
また、屈曲駆動する部材の平面部の面積は、必然的に各細管の断面より大きい面積を要することになるため、このような開閉部材を備える開閉機構を小型に構成することも困難になる。
【００３９】
また、上述のような屈曲開閉部材を用いて、図６のように、屈曲駆動する部材の平面部（腹部）で細管を塞ぐ方式ではなく、屈曲駆動する部材の端部で流体を封じる方式も考えられるが、屈曲駆動する部材の端部で流体を封じる方式であれば、上述のようなコの字状の片持ち梁１つが開閉する形態よりも、図１に示す本発明の開閉部材のように、Ｖ字状の片持ち梁６つが、平面視上、略円状または多角形状に開口する形態のほうが、大きな開口とすることができ、かつ、片持ち梁１つ分の大きさを小さくできることから、開閉部材を備える開閉機構を小型化することができる。特に、屈曲する方向（例えば、本発明におけるシート状の可撓性材料に対して上下方向）のスペースを小型にできる。
【００４０】
次に、本発明に係る刺激応答性開閉部材の他の例を説明する。
図２は、本発明に係る刺激応答性開閉部材の他の例を説明する図であり、（ａ）は概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図であり、（ｃ）は開口状態の断面図である。
本発明に係る刺激応答性高分子ゲルは、シート状の可撓性材料の１方の面のみならず、もう１方の面にも設けられていても良い。例えば、図２に示すように、隣接する略Ｖ字状（扇状）の片持ち梁領域毎に、シート状の可撓性材料の表と裏に交互に刺激応答性高分子ゲルが固定化されていてもよい。
【００４１】
次に、本発明の刺激応答性開閉部材を構成する材料について説明する。
【００４２】
［刺激応答性高分子ゲル］
本発明に係る刺激応答性高分子ゲルについては、特定の外部刺激（例えば、温度、ｐＨ、イオン濃度、光、電場、磁場、抗原など）によって、体積変化する各種の刺激応答性高分子ゲルを用いることができる。
例えば、温度応答性高分子ゲルとしては、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミド、ポリＮ−イソプロピルメタクリルアミド、ポリＮ，Ｎ−ジエチルアクリルアミドの各架橋物、アルキル置換アクリルアミドとアクリル酸の共重合体の架橋物などが挙げられる。
また、ｐＨ応答性高分子ゲルとしては、（メタ）アクリルアミドと（メタ）アクリル酸の共重合体の架橋物や、ポリアクリルアミドアルキルスルホン酸の架橋物などが挙げられる。
また、光応答性高分子ゲルとしては、スピロベンゾピラン誘導体と（メタ）アクリルアミドとの共重合体の架橋物が挙げられる。
【００４３】
上述の中で、代表的な温度応答性高分子であるポリＮ−イソプロピルアクリルアミドは、３２℃付近に下限臨界相溶温度（ｌｏｗｅｒ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、ＬＣＳＴ)を有しており、そのヒドロゲルは、ＬＣＳＴ以下の温度では水溶液中で膨潤した状態であり、ＬＣＳＴ以上の温度では脱水和を起こして収縮するという特性をもっている。
この膨潤、収縮の体積変化は、体積相転移現象と呼ばれており、ＬＣＳＴを境にした急激な変化であって可逆的なものである。
それゆえ、本発明に係る刺激応答性高分子ゲルに、上述のポリＮ−イソプロピルアクリルアミドゲルを用いれば、温度に対して優れた応答性を有する開閉部材を得ることができる。
【００４４】
本発明においては、上述のような刺激応答性高分子ゲルがシート状の可撓性材料の表面に固定化されている。ここで、固定化とは、刺激応答性高分子ゲルと可撓性材料の表面間に共有結合が形成されている状態を指す。
このような状態は、例えば、刺激応答性高分子ゲルを構成する単量体、架橋剤、および必要に応じた重合開始剤を含む溶液を用いて、シート状の可撓性材料の表面で高分子ゲルを重合することにより得ることができる。
【００４５】
［可撓性材料］
シート状の可撓性材料としては、例えば、合成樹脂フィルム、金属、ガラス、紙、若しくは、これらの複合材など各種が挙げられるが、中でも合成樹脂フィルムが、可撓性、成形性、強度、化学的安定性、経済性などの点から好ましい。合成樹脂フィルムとしては、例えば、２軸延伸ポリプロピレン（ＯＰＰ）フィルムや、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムなどを好適に用いることができる。
【００４６】
シート状の可撓性材料の表面には、刺激応答性高分子ゲルの固定化を促進するための表面処理が施されていてもよい。例えば、上述の合成樹脂フィルムの表面に、アルゴンガス等を用いたプラズマ処理が施されていることが好ましい。
また、上述の合成樹脂フィルムの表面に、ＳｉＯ2の蒸着膜を形成し、シランカップリング剤を用いた表面処理を施して、刺激応答性高分子ゲルとの共有結合を促進する方法を用いても良い。
【００４７】
シート状の可撓性材料の厚さは、上述のような構成で、刺激応答性高分子ゲルの体積変化に応じて、放射状スリットが開口可能な厚さであれば用いることができる。本発明においては、例えば、厚さ１２μｍのＰＥＴフィルムおよびＳｉＯ2蒸着ＰＥＴフィルム、厚さ１８μｍのＯＰＰフィルムを用いて、全長１５ｍｍの放射状スリットの開閉を確認できた。
【００４８】
［刺激応答性開閉部材の製造方法］
次に、本発明の刺激応答性開閉部材の製造方法について説明する。なお、本発明の刺激応答性開閉部材の製造方法は、上述した構成を有する刺激応答性開閉部材を得ることができる方法であれば特に限定されるものではない。
図４は、本発明に係る刺激応答性開閉部材の製造方法の一例を示す模式的工程図である。
まず、図４（ａ）に示すように、底部材６ａ、蓋部材６ｂ、壁部材７からなる重合用テンプレートを準備し、底部材６ａの上に、シート状の可撓性材料２を置き、その上の所定の位置に壁部材７を配し、壁部材７で囲まれた可撓性材料２の上に、刺激応答性高分子ゲルを構成する単量体、架橋剤、および重合開始剤を含むプレゲル溶液を注入し、その上を剥離用フィルム８で覆い、さらにその上に蓋部材６ｂを載せて、所定の重合反応を開始させる（図４（ｂ））。
その後、底部材６ａ、蓋部材６ｂ、壁部材７、および剥離用フィルム８を除き（図４（ｃ））、シート状の可撓性材料２および刺激応答性高分子ゲル４の所定の位置にスリット３を形成することで、シート状の可撓性材料２の所定の領域に刺激応答性高分子ゲル４が固定化された本発明の刺激応答性開閉部材１を得る（図４（ｄ））。
【００４９】
なお、上述の製造方法においては、図１に示す形態の刺激応答性開閉部材の製造方法について説明したが、図２に示す形態の刺激応答性開閉部材についても、同様に製造することができる。
【００５０】
以上説明したように、本発明によれば、刺激応答性高分子ゲルの体積相転移を利用して、シート状の可撓性材料に設けられた放射状のスリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口させることや、１点に閉口させたりすることができるため、電源や配線の不要な自律駆動型の開閉部材および開閉機構を提供することができる。
【００５１】
また、本発明の開閉部材は、シート状の可撓性材料で流体を封じることができるため、この可撓性材料に強度や耐薬品性のある各種の合成樹脂フィルムを用いることにより、高分子ゲル自体が開閉部材である場合に比べて、物理的強度や化学的安定性に優れるという効果がある。
【００５２】
また、本発明の開閉部材の開閉駆動には、シート状の可撓性材料の表面と共有結合する刺激応答性高分子ゲルの表面近傍の収縮又は膨潤が寄与するため、高分子ゲルには一定の平面積が求められても、その厚みは薄くすることができる。
そして、本発明の開閉部材は、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域が、刺激に応じて上方向または下方向に屈曲することで、前記スリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口することができるため、使用する高分子ゲルの体積を小さく抑えた状態でありながら、大きな開口を生じさせることができる。
それゆえ、塊状の高分子ゲルを用いる場合よりも開閉の駆動速度を向上させることができ、実用的な流量、すなわち、用途に応じたある程度の大きさの流量を、精密に応答性良く制御することが可能である。
【００５３】
また、本発明においては、１つの開閉部材に複数の放射状スリットを設けることができるため、流路を構成する多数の細管の径が同一であっても、異なる流量で精密に制御して流体輸送することが可能である。
【００５４】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と、実質的に同一の構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる場合であっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００５５】
以下、実施例を用いて、本発明をさらに具体的に説明する。
【００５６】
（実施例１）
［プレゲル溶液の調製］
刺激応答性高分子ゲルを構成する単量体としてＮ−イソプロピルアクリルアミド（株式会社興人製）を９７重量部、架橋剤としてＮ，Ｎ´−メチレンビスアクリルアミド（和光純薬工業株式会社製）を３重量部、開始剤として２，２´−アゾビス（イソブチロニトリル）（和光純薬工業株式会社製）を２重量部、メタノール（関東化学株式会社製）を４９６重量部混合してプレゲル溶液を調製した。
【００５７】
［シート状の可撓性材料の表面処理］
エタノール（関東化学株式会社製）を９５重量部、純水を５重量部、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン（信越化学工業株式会社製）を２重量部、酢酸（関東化学株式会社製）を０．２重量部混合し、シランカップリング溶液を調製した。このシランカップリング溶液に１２μｍ厚のＳｉＯ2蒸着ＰＥＴフィルム（三菱樹脂製テックバリア（登録商標））を２時間浸漬させ、エタノールで洗浄後に１２０℃で５時間加熱してシランカップリング処理を完了させた。
【００５８】
［刺激応答性高分子ゲルの固定化］
重合用テンプレートの底部材および蓋部材として、幅７６ｍｍ×奥行き５２ｍｍ×厚さ１ｍｍのスライドガラスを準備し、壁部材として、幅７６ｍｍ×奥行き５２ｍｍ×厚さ１ｍｍのシリコンゴムシートを準備し、プレゲル溶液注入用の空間として、直径１５ｍｍ、深さ１ｍｍの円柱状の空間を１個形成した。
まず、上記のスライドガラスの上に、幅７６ｍｍ×奥行き５２ｍｍの上記シランカップリング処理を施した１２μｍ厚のＳｉＯ2蒸着ＰＥＴフィルムを乗せ、次いで、上記の空間を形成したシリコンゴムシートを乗せ、調製したプレゲル溶液を上記シリコンゴムシートに形成した空間に注入し、その上に、剥離用フィルムとして、何も処理を施していない幅７６ｍｍ×奥行き５２ｍｍのＰＥＴフィルムを乗せ、最後に、蓋部材として、上記スライドガラスを被せた。
次に、上記プレゲル溶液を注入した重合用テンプレートを６０℃で２４時間加熱して、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドゲルを形成し、かつ、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドゲルをＳｉＯ2蒸着ＰＥＴフィルム上に固定化させた。
その後、重合用テンプレートからポリＮ−イソプロピルアクリルアミドゲルが固定化されたＳｉＯ2蒸着ＰＥＴフィルムを剥離し、純水で十分に洗浄した。
【００５９】
［スリットの形成］
上記ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドゲルが固定化されたＳｉＯ2蒸着ＰＥＴフィルムに、六角形の対角線を構成する線群となるように、長さ１５ｍｍの放射状スリットを形成し、本発明に係る開閉部材を得た。
なお、上述のスリット形成により、固定化されたポリＮ−イソプロピルアクリルアミドゲルも、直径１５ｍｍ、厚さ１ｍｍの円柱を略６等分にされたＶ字状の片持ち梁の形状になっている。
【００６０】
［開閉試験］
上記の本発明に係る開閉部材を純水中に置き、ＳｉＯ2蒸着ＰＥＴフィルムの外周部を固定し、水温を２５℃から４０℃の範囲で変化させて、放射状スリットの開閉を顕微鏡により観測した。
上記試験を５回繰り返した結果、５回とも温度変化に応じて放射状スリットが開閉することを確認した。放射状スリットの開口形状は、平面視上、略六角形状であり、その開口面積は、直径１５ｍｍの円の約半分であった。
【００６１】
（実施例２）
シート状の可撓性材料として、１２μｍ厚のＰＥＴフィルム（東洋紡績製Ｅ５２０２）を用い、表面処理として、イオンスパッタ装置Ｅ−１０４５（株式会社日立製作所）を用いて、真空度８．２Ｐａ、２５℃において１５ ｍＡで６０秒間フィルムの表面にアルゴンプラズマを照射したこと以外は、実施例１と同様にして、本発明に係る開閉部材を得た。
【００６２】
［開閉試験］
上記の本発明に係る開閉部材を純水中に置き、ＰＥＴフィルムの外周部を固定し、水温を２５℃から４０℃の範囲で変化させて、放射状スリットの開閉を顕微鏡により観測した。
上記試験を５回繰り返した結果、５回とも温度変化に応じて放射状スリットが開閉することを確認した。放射状スリットの開口形状は、平面視上、略六角形状であり、その開口面積は、直径１５ｍｍの円の約半分であった。
【００６３】
（実施例３）
シート状の可撓性材料として、１８μｍ厚のＯＰＰフィルム（三井化学東セロ製Ｕ−１）を用い、表面処理として、イオンスパッタ装置Ｅ−１０４５（株式会社日立製作所）を用いて、真空度８．２Ｐａ、２５℃において１５ ｍＡで６０秒間フィルムの表面にアルゴンプラズマを照射したこと以外は、実施例１と同様にして、本発明に係る開閉部材を得た。
【００６４】
［開閉試験］
上記の本発明に係る開閉部材を純水中に置き、ＯＰＰフィルムの外周部を固定し、水温を２５℃から４０℃の範囲で変化させて、放射状スリットの開閉を顕微鏡により観測した。
上記試験を５回繰り返した結果、５回とも温度変化に応じて放射状スリットが開閉することを確認した。放射状スリットの開口形状は、平面視上、略六角形状であり、その開口面積は、直径１５ｍｍの円の約半分であった。
【符号の説明】
【００６５】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ・・・開閉部材
２・・・可撓性材料
３・・・スリット
４ａ・・単量体
４・・・刺激応答性高分子ゲル
５・・・開口
６ａ・・・底部材
６ｂ・・・蓋部材
７・・・壁部材
８・・・剥離用フィルム
１０・・・流路デバイス
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・・細管
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ・・・開閉部材
１１０・・・流路デバイス
１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ・・・細管
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・開閉部材
１２０・・・流路デバイス
１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ・・・細管
Ｐ、Ｑ、Ｒ・・・流体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、刺激応答性高分子ゲルの体積相転移を利用して駆動する刺激応答性開閉部材、開閉機構、および流路デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在広く実用化されているアクチュエータとしては、電気駆動による電磁モータや圧電素子、流体圧駆動による油圧アクチュエータや空気アクチュエータが、主だったものである。
一方、医療分野やマイクロデバイスの分野においては、小型のアクチュエータの必要性が高くなっている。このような用途においては、生体が有する筋肉のようなアクチュエータが有用であり、高分子材料をアクチュエータとして応用する研究開発が行われている。
高分子材料の特性を利用したアクチュエータは、小型軽量であること、柔軟性に富むこと、動作音がないことなどの特徴を有しており、その代表例として、導電性高分子アクチュエータや高分子ゲルアクチュエータがある。
【０００３】
上述のような導電性高分子アクチュエータは、導電性高分子に電圧又は電流を印加することによって導電性高分子が伸縮し、これを駆動力とするものである（例えば、特許文献１）。
一方、高分子ゲルアクチュエータは、温度やイオン濃度などの外部刺激に応じて高分子ゲルが体積変化する特性を駆動に利用するものであり、例えば、高分子ゲルをマイクロ流路デバイスの管壁に密着形成し、温度変化に応じて体積変化させて流路を塞ぐことで流量制御する送液システムが提案されている（例えば、特許文献２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４６２５５４５号公報
【特許文献２】特許第４６２５９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、上述のような導電性高分子アクチュエータは、電圧又は電流を印加することによって駆動するため、電源や配線を必要とし、その構成は複雑となる。それゆえ、限られたスペースでの駆動が必要な用途や、電源等から独立して使われる自律駆動型のアクチュエータが求められる用途などには不向きである。
【０００６】
一方、上述のような刺激応答性の高分子ゲルを利用するアクチュエータであれば、電源や配線を必要とせず、自律駆動型のアクチュエータとすることができる。
【０００７】
しかしながら、高分子ゲルは、本来脆弱な物質であり、刺激応答性の高分子ゲル自体をアクチュエータとする場合（例えば、上述のように、刺激応答性の高分子ゲル自体で流路の開閉を行う場合）には、アクチュエータとしての物理的強度や化学的安定性に欠ける恐れがある。
【０００８】
また、流路を塞ぐためには、管の内径に応じた大きさの高分子ゲルが必要となり、さらに、高分子ゲル自体が流体の圧力に対抗する部材であるため、流れ方向にも対抗力を有する大きさにする必要がある。
しかしながら、刺激応答性高分子ゲルの刺激に応じた体積変化速度は、高分子ゲルの大きさが増すほど遅くなる（例えば、球形のゲルであれば、ゲルの膨潤緩和時間はゲルの最終半径の２乗に反比例して長くなる）ため、高分子ゲル自体で流路の開閉を行う場合には、その大きさに応じて開閉部材としての駆動速度は遅くなり、精密な流量制御は困難になる。
それゆえ、実用的な流量、すなわち、用途に応じたある程度の大きさの流量を、精密に応答性良く制御する手法が望まれている。
【０００９】
また、医療分野や精密分析の分野によっては、所定量の反応液を、多数の流路で制御するような要望もある。この場合、流量に応じて多種の細管を設けるとなるとその構成は複雑になり、流路デバイスとしてはコストもかかり、設計や製造も困難になる。
【００１０】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、用途に応じた実用的な流量の流体輸送を精密に制御することが可能であって、強度や安定性を備え、電源や配線の不要な自律駆動型の刺激応答性開閉部材、開閉機構、および流路デバイス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】
【００１１】
本発明者は、種々研究した結果、シート状の可撓性材料に放射状のスリットを設け、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域に刺激応答性高分子ゲルを固定化し、刺激に応じて、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域の前記シート状の可撓性部材を可逆的に屈曲させて、前記スリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口させることで、上記課題を解決できることを見出して本発明を完成したものである。
【００１２】
すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、１又は２以上のスリットが設けられたシート状の可撓性材料の少なくとも片面に、刺激応答性高分子ゲルが固定化されている開閉部材であって、前記スリットは、１点から放射状に延びた線群からなり、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域に、前記刺激応答性高分子ゲルが固定化されていることを特徴とする刺激応答性開閉部材である。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る発明は、前記スリットが、六角形の対角線を構成する線群からなることを特徴とする請求項１に記載の刺激応答性開閉部材である。
【００１４】
また、本発明の請求項３に係る発明は、前記刺激応答性高分子ゲルが、温度応答性高分子ゲルであることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の刺激応答性開閉部材である。
【００１５】
また、本発明の請求項４に係る発明は、前記温度応答性高分子ゲルが、架橋されたアクリルアミド系ポリマーのゲルであることを特徴とする請求項３に記載の刺激応答性開閉部材である。
【００１６】
また、本発明の請求項５に係る発明は、前記架橋されたアクリルアミド系ポリマーが、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドであることを特徴とする請求項４に記載の刺激応答性開閉部材である。
【００１７】
また、本発明の請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の刺激応答性開閉部材を備えた開閉機構であって、前記刺激応答性高分子ゲルが、刺激に応じて水溶液中で可逆的に収縮することにより、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域の前記シート状の可撓性部材を可逆的に屈曲させて、前記スリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口し、前記刺激応答性高分子ゲルが、刺激に応じて水溶液中で可逆的に膨潤することにより、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域の前記シート状の可撓性部材を可逆的に屈曲させて、前記スリットを１点に閉口することを特徴とする開閉機構である。
【００１８】
また、本発明の請求項７に係る発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の刺激応答性開閉部材を備えた流路デバイスであって、流路として1又は２以上の細管を有しており、前記の各細管に応じて備えられる前記刺激応答性開閉部材が、同数又は異なる数の前記スリットを有していることを特徴とする流路デバイスである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、刺激応答性高分子ゲルの体積相転移を利用して、シート状の可撓性材料に設けられた放射状のスリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口させることや、１点に閉口させたりすることができるため、電源や配線の不要な自律駆動型の開閉部材、開閉機構、および流路デバイスを提供することができる。
【００２０】
また、本発明の開閉部材は、シート状の可撓性材料で流体を封じることができるため、この可撓性材料に強度や耐薬品性のある各種の合成樹脂フィルムを用いることにより、高分子ゲル自体が開閉部材である場合に比べて、物理的強度や化学的安定性に優れるという効果がある。
【００２１】
また、本発明の開閉部材の開閉駆動には、シート状の可撓性材料の表面と共有結合する刺激応答性高分子ゲルの表面近傍の収縮又は膨潤が寄与するため、高分子ゲルには一定の平面積が求められても、その厚みは薄くすることができる。
そして、本発明の開閉部材は、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域が、刺激に応じて上方向または下方向に屈曲することで、前記スリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口することができるため、使用する高分子ゲルの体積を小さく抑えた状態でありながら、大きな開口を生じさせることができる。
それゆえ、塊状の高分子ゲルを用いる場合よりも開閉の駆動速度を向上させることができ、実用的な流量、すなわち、用途に応じたある程度の大きさの流量を、精密に応答性良く制御することが可能である。
【００２２】
また、本発明においては、１つの開閉部材に複数の放射状スリットを設けることができるため、流路を構成する多数の細管の径が同一であっても、異なる流量で精密に制御して流体輸送することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る刺激応答性開閉部材の一例を説明する図であり、（ａ）は概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）は開口状態の断面図である。
【図２】本発明に係る刺激応答性開閉部材の他の例を説明する図であり、（ａ）は概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図であり、（ｃ）は開口状態の断面図である。
【図３】本発明に係る刺激応答性開閉部材を備えた流路デバイスの例を説明する図であり、（ａ）は要部の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【図４】本発明に係る刺激応答性開閉部材の製造方法の一例を示す模式的工程図である。
【図５】従来の刺激応答性開閉部材を備えた流路デバイスを説明する図であり、（ａ）は要部の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【図６】従来の屈曲開閉部材を備えた流路デバイスを説明する図であり、（ａ）は要部の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の刺激応答性開閉部材、開閉機構、および流路デバイスについて詳細に説明する。
【００２５】
まず、本発明の刺激応答性開閉部材および開閉機構の一例について説明する。
図１は、本発明に係る刺激応答性開閉部材の一例を説明する図であり、（ａ）は概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）は開口状態の断面図である。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明に係る刺激応答性開閉部材は、１又は２以上のスリットが設けられたシート状の可撓性材料の少なくとも片面に、刺激応答性高分子ゲルが固定化されている開閉部材であって、前記スリットは、１点から放射状に延びた線群からなり、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域に、前記刺激応答性高分子ゲルが固定化されていることを特徴とする。
【００２６】
そして、例えば図１（ｃ）に示すように、上述の刺激応答性開閉部材に特定の刺激を与えると、刺激応答性高分子ゲルは刺激に応じて収縮し、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域の前記シート状の可撓性部材を可逆的に屈曲させて、平面視上、放射状のスリットを、略円状または多角形状に開口することになる。
【００２７】
なお、上述の「スリットによって上下方向に屈曲する領域」とは、スリットによって形成される片持ち梁状となる領域のことであり、図１（ａ）においては、円状の刺激応答性開閉部材４を略６等分にした略Ｖ字状（扇状）の領域が相当する。
【００２８】
上述の刺激応答性高分子ゲルの収縮は、可逆的な体積変化であり、刺激を取り去ることで、また元の大きさに膨潤する。つまり、刺激が無くなると、上述のように、開口したスリットは、また１点に閉じることになる。
それゆえ、上述のような刺激応答性開閉部材を備えた開閉機構であれば、電源や配線の不要な自律駆動型の開閉機構とすることができる。
【００２９】
また、本発明の開閉部材は、シート状の可撓性材料で流体を封じることができるため、この可撓性材料に強度や耐薬品性のある各種の合成樹脂フィルムを用いることにより、高分子ゲル自体が開閉部材である場合に比べて、物理的強度や化学的安定性に優れるという効果がある。
【００３０】
また、本発明の開閉部材の開閉駆動には、シート状の可撓性材料の表面と共有結合する刺激応答性高分子ゲルの表面近傍の収縮又は膨潤が寄与するため、高分子ゲルには平面積が求められても、その厚みは薄くすることができる。
そして、本発明の開閉部材は、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域が、刺激に応じて上方向または下方向に屈曲することで、前記スリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口することができるため、使用する高分子ゲルの体積を小さく抑えた状態でありながら、大きな開口を生じさせることができる。
それゆえ、塊状の高分子ゲルを用いる場合よりも開閉の駆動速度を向上させることができ、実用的な流量、すなわち、用途に応じたある程度の大きさの流量を、精密に応答性良く制御することが可能である。
【００３１】
また、本発明においては、１つの開閉部材に複数の放射状スリットを設けることができるため、流路を構成する多数の細管の径が同一であっても、異なる流量で精密に制御して流体輸送することが可能である。
【００３２】
ここで、本発明の開閉部材の有する優れた制御性、すなわち、流体輸送を精密に制御する性能について、本発明に係る刺激応答性開閉部材を備えた流路デバイスの例を用いて説明する。
図３は、本発明に係る刺激応答性開閉部材を備えた流路デバイスの例を説明する図であり、（ａ）は要部の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
本発明に係る流路デバイスは、流路として１又は２以上の細管を有しており、前記の各細管に応じて備えられる前記刺激応答性開閉部材が、同数又は異なる数のスリットを有している。
【００３３】
例えば、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明に係る流路デバイス１０において、細管１１ａには３つの放射状スリットが設けられた本発明の刺激応答性開閉部材１ａが備えられており、細管１１ｂには２つの放射状スリットが設けられた本発明の刺激応答性開閉部材１ｂが備えられており、細管１１ｃには１つの放射状スリットが設けられた本発明の刺激応答性開閉部材１ｃが備えられている。
【００３４】
このような構成を有しているため、本発明の流路デバイスにおいては、例え、細管１１ａ、１１ｂ、１１ｃが同じ径であっても、各細管に応じて備えられる刺激応答性開閉部材１ａ、１ｂ、１ｃが、異なる数の放射状スリットを有しているため、各細管を流れる流体Ｐ、Ｑ、Ｒの流量を異なる量に制御することができる。
それゆえ、本発明の流路デバイスにおいては、多数の細管を用いて流量制御する必要がある場合でも、各細管の径を統一することができ、流路デバイスの設計、ならびに製造を容易にすることができる。
【００３５】
一方、従来の、刺激応答性高分子ゲルを流路デバイスの管壁に密着形成し、刺激応答性高分子ゲル自体で流路の開閉を行う方式の場合は、例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、流体Ｐ、Ｑ、Ｒの流量を異なる量に制御するためには、刺激応答性高分子ゲルの大きさ、すなわち、刺激応答性開閉部材１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの大きさを流量に応じて変更する必要があり、また、この大きさ変更に伴って、各細管１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃも各々異なる径にする必要がある。
それゆえ、流量に応じて多種の細管を設けるとなるとその構成は複雑になり、流路デバイスとしてはコストもかかり、設計や製造も困難になる。
【００３６】
ここで、本発明においては、刺激応答性開閉部材１ａ、１ｂ、１ｃの有する各放射状スリットは異なる大きさであっても良い。
しかしながら、刺激応答性開閉部材１ａ、１ｂ、１ｃに設ける各放射状スリットを同じ大きさを同じにしておけば、放射状スリットの数で流体Ｐ、Ｑ、Ｒの流量を制御することができ、さらには、各放射状スリットに固定化する刺激応答性高分子ゲルも各スリットで同じ条件にしておけば、各放射状スリットの開閉の応答速度は同じになり、均一かつ応答性の高い流量制御を行うことができる。
そして、本発明の刺激応答性開閉部材においては、スリットおよび固定化する刺激応答性高分子ゲルを、シート状の可撓性材料に、同一条件で複数形成することは容易である。
【００３７】
一方、従来の、刺激応答性高分子ゲル自体で流路の開閉を行う方式の場合は、例えば、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、流量に応じて刺激応答性高分子ゲルの大きさ、すなわち刺激応答性開閉部材１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの大きさを変更する必要があるが、刺激応答性高分子ゲルの刺激に応じた体積変化速度は、高分子ゲルの大きさに依存するため、刺激応答性高分子ゲルの大きさを変更してしまうと、各開閉部材１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの応答速度は異なってしまい、均一かつ応答性の高い流量制御を行うことは困難になる。
【００３８】
次に、従来の屈曲開閉部材を備えた流路デバイスと比べた場合の、本発明の優位性について説明する。
図６は、従来の屈曲開閉部材を備えた流路デバイスを説明する図であり、（ａ）は要部の斜視図であり、（ｂ）は断面図である。
図６（ａ）、（ｂ）に示す流路デバイス１２０の開閉部材は、屈曲駆動する部材からなり、屈曲駆動する部材の平面部（腹部）で細管を塞ぐことで、流体の流れを封じている。
上述のような、開閉部材としては、例えば、熱膨張率の異なる２種の金属からなるバイメタルなどが挙げられる。
しかしながら、上述のような屈曲駆動する部材の平面部（腹部）で細管を塞ぐ方式で、流体Ｐ、Ｑ、Ｒの流量を異なる量に制御する場合は、例えば、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、少なくとも、流体の流れに対して開閉部材（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ）よりも前に設けられる細管（１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ）は、流量に応じて各々異なる径にする必要がある。
そして、流量に応じて多種の細管を設けるとなると、その構成は複雑になり、流路デバイスとしてはコストもかかり、設計や製造も困難になる。
また、屈曲駆動する部材の平面部の面積は、必然的に各細管の断面より大きい面積を要することになるため、このような開閉部材を備える開閉機構を小型に構成することも困難になる。
【００３９】
また、上述のような屈曲開閉部材を用いて、図６のように、屈曲駆動する部材の平面部（腹部）で細管を塞ぐ方式ではなく、屈曲駆動する部材の端部で流体を封じる方式も考えられるが、屈曲駆動する部材の端部で流体を封じる方式であれば、上述のようなコの字状の片持ち梁１つが開閉する形態よりも、図１に示す本発明の開閉部材のように、Ｖ字状の片持ち梁６つが、平面視上、略円状または多角形状に開口する形態のほうが、大きな開口とすることができ、かつ、片持ち梁１つ分の大きさを小さくできることから、開閉部材を備える開閉機構を小型化することができる。特に、屈曲する方向（例えば、本発明におけるシート状の可撓性材料に対して上下方向）のスペースを小型にできる。
【００４０】
次に、本発明に係る刺激応答性開閉部材の他の例を説明する。
図２は、本発明に係る刺激応答性開閉部材の他の例を説明する図であり、（ａ）は概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図であり、（ｃ）は開口状態の断面図である。
本発明に係る刺激応答性高分子ゲルは、シート状の可撓性材料の１方の面のみならず、もう１方の面にも設けられていても良い。例えば、図２に示すように、隣接する略Ｖ字状（扇状）の片持ち梁領域毎に、シート状の可撓性材料の表と裏に交互に刺激応答性高分子ゲルが固定化されていてもよい。
【００４１】
次に、本発明の刺激応答性開閉部材を構成する材料について説明する。
【００４２】
［刺激応答性高分子ゲル］
本発明に係る刺激応答性高分子ゲルについては、特定の外部刺激（例えば、温度、ｐＨ、イオン濃度、光、電場、磁場、抗原など）によって、体積変化する各種の刺激応答性高分子ゲルを用いることができる。
例えば、温度応答性高分子ゲルとしては、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミド、ポリＮ−イソプロピルメタクリルアミド、ポリＮ，Ｎ−ジエチルアクリルアミドの各架橋物、アルキル置換アクリルアミドとアクリル酸の共重合体の架橋物などが挙げられる。
また、ｐＨ応答性高分子ゲルとしては、（メタ）アクリルアミドと（メタ）アクリル酸の共重合体の架橋物や、ポリアクリルアミドアルキルスルホン酸の架橋物などが挙げられる。
また、光応答性高分子ゲルとしては、スピロベンゾピラン誘導体と（メタ）アクリルアミドとの共重合体の架橋物が挙げられる。
【００４３】
上述の中で、代表的な温度応答性高分子であるポリＮ−イソプロピルアクリルアミドは、３２℃付近に下限臨界相溶温度（ｌｏｗｅｒ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、ＬＣＳＴ)を有しており、そのヒドロゲルは、ＬＣＳＴ以下の温度では水溶液中で膨潤した状態であり、ＬＣＳＴ以上の温度では脱水和を起こして収縮するという特性をもっている。
この膨潤、収縮の体積変化は、体積相転移現象と呼ばれており、ＬＣＳＴを境にした急激な変化であって可逆的なものである。
それゆえ、本発明に係る刺激応答性高分子ゲルに、上述のポリＮ−イソプロピルアクリルアミドゲルを用いれば、温度に対して優れた応答性を有する開閉部材を得ることができる。
【００４４】
本発明においては、上述のような刺激応答性高分子ゲルがシート状の可撓性材料の表面に固定化されている。ここで、固定化とは、刺激応答性高分子ゲルと可撓性材料の表面間に共有結合が形成されている状態を指す。
このような状態は、例えば、刺激応答性高分子ゲルを構成する単量体、架橋剤、および必要に応じた重合開始剤を含む溶液を用いて、シート状の可撓性材料の表面で高分子ゲルを重合することにより得ることができる。
【００４５】
［可撓性材料］
シート状の可撓性材料としては、例えば、合成樹脂フィルム、金属、ガラス、紙、若しくは、これらの複合材など各種が挙げられるが、中でも合成樹脂フィルムが、可撓性、成形性、強度、化学的安定性、経済性などの点から好ましい。合成樹脂フィルムとしては、例えば、２軸延伸ポリプロピレン（ＯＰＰ）フィルムや、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムなどを好適に用いることができる。
【００４６】
シート状の可撓性材料の表面には、刺激応答性高分子ゲルの固定化を促進するための表面処理が施されていてもよい。例えば、上述の合成樹脂フィルムの表面に、アルゴンガス等を用いたプラズマ処理が施されていることが好ましい。
また、上述の合成樹脂フィルムの表面に、ＳｉＯ2の蒸着膜を形成し、シランカップリング剤を用いた表面処理を施して、刺激応答性高分子ゲルとの共有結合を促進する方法を用いても良い。
【００４７】
シート状の可撓性材料の厚さは、上述のような構成で、刺激応答性高分子ゲルの体積変化に応じて、放射状スリットが開口可能な厚さであれば用いることができる。本発明においては、例えば、厚さ１２μｍのＰＥＴフィルムおよびＳｉＯ2蒸着ＰＥＴフィルム、厚さ１８μｍのＯＰＰフィルムを用いて、全長１５ｍｍの放射状スリットの開閉を確認できた。
【００４８】
［刺激応答性開閉部材の製造方法］
次に、本発明の刺激応答性開閉部材の製造方法について説明する。なお、本発明の刺激応答性開閉部材の製造方法は、上述した構成を有する刺激応答性開閉部材を得ることができる方法であれば特に限定されるものではない。
図４は、本発明に係る刺激応答性開閉部材の製造方法の一例を示す模式的工程図である。
まず、図４（ａ）に示すように、底部材６ａ、蓋部材６ｂ、壁部材７からなる重合用テンプレートを準備し、底部材６ａの上に、シート状の可撓性材料２を置き、その上の所定の位置に壁部材７を配し、壁部材７で囲まれた可撓性材料２の上に、刺激応答性高分子ゲルを構成する単量体、架橋剤、および重合開始剤を含むプレゲル溶液を注入し、その上を剥離用フィルム８で覆い、さらにその上に蓋部材６ｂを載せて、所定の重合反応を開始させる（図４（ｂ））。
その後、底部材６ａ、蓋部材６ｂ、壁部材７、および剥離用フィルム８を除き（図４（ｃ））、シート状の可撓性材料２および刺激応答性高分子ゲル４の所定の位置にスリット３を形成することで、シート状の可撓性材料２の所定の領域に刺激応答性高分子ゲル４が固定化された本発明の刺激応答性開閉部材１を得る（図４（ｄ））。
【００４９】
なお、上述の製造方法においては、図１に示す形態の刺激応答性開閉部材の製造方法について説明したが、図２に示す形態の刺激応答性開閉部材についても、同様に製造することができる。
【００５０】
以上説明したように、本発明によれば、刺激応答性高分子ゲルの体積相転移を利用して、シート状の可撓性材料に設けられた放射状のスリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口させることや、１点に閉口させたりすることができるため、電源や配線の不要な自律駆動型の開閉部材および開閉機構を提供することができる。
【００５１】
また、本発明の開閉部材は、シート状の可撓性材料で流体を封じることができるため、この可撓性材料に強度や耐薬品性のある各種の合成樹脂フィルムを用いることにより、高分子ゲル自体が開閉部材である場合に比べて、物理的強度や化学的安定性に優れるという効果がある。
【００５２】
また、本発明の開閉部材の開閉駆動には、シート状の可撓性材料の表面と共有結合する刺激応答性高分子ゲルの表面近傍の収縮又は膨潤が寄与するため、高分子ゲルには一定の平面積が求められても、その厚みは薄くすることができる。
そして、本発明の開閉部材は、前記スリットによって上下方向に屈曲する領域が、刺激に応じて上方向または下方向に屈曲することで、前記スリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口することができるため、使用する高分子ゲルの体積を小さく抑えた状態でありながら、大きな開口を生じさせることができる。
それゆえ、塊状の高分子ゲルを用いる場合よりも開閉の駆動速度を向上させることができ、実用的な流量、すなわち、用途に応じたある程度の大きさの流量を、精密に応答性良く制御することが可能である。
【００５３】
また、本発明においては、１つの開閉部材に複数の放射状スリットを設けることができるため、流路を構成する多数の細管の径が同一であっても、異なる流量で精密に制御して流体輸送することが可能である。
【００５４】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と、実質的に同一の構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる場合であっても本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００５５】
以下、実施例を用いて、本発明をさらに具体的に説明する。
【００５６】
（実施例１）
［プレゲル溶液の調製］
刺激応答性高分子ゲルを構成する単量体としてＮ−イソプロピルアクリルアミド（株式会社興人製）を９７重量部、架橋剤としてＮ，Ｎ´−メチレンビスアクリルアミド（和光純薬工業株式会社製）を３重量部、開始剤として２，２´−アゾビス（イソブチロニトリル）（和光純薬工業株式会社製）を２重量部、メタノール（関東化学株式会社製）を４９６重量部混合してプレゲル溶液を調製した。
【００５７】
［シート状の可撓性材料の表面処理］
エタノール（関東化学株式会社製）を９５重量部、純水を５重量部、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン（信越化学工業株式会社製）を２重量部、酢酸（関東化学株式会社製）を０．２重量部混合し、シランカップリング溶液を調製した。このシランカップリング溶液に１２μｍ厚のＳｉＯ2蒸着ＰＥＴフィルム（三菱樹脂製テックバリア（登録商標））を２時間浸漬させ、エタノールで洗浄後に１２０℃で５時間加熱してシランカップリング処理を完了させた。
【００５８】
［刺激応答性高分子ゲルの固定化］
重合用テンプレートの底部材および蓋部材として、幅７６ｍｍ×奥行き５２ｍｍ×厚さ１ｍｍのスライドガラスを準備し、壁部材として、幅７６ｍｍ×奥行き５２ｍｍ×厚さ１ｍｍのシリコンゴムシートを準備し、プレゲル溶液注入用の空間として、直径１５ｍｍ、深さ１ｍｍの円柱状の空間を１個形成した。
まず、上記のスライドガラスの上に、幅７６ｍｍ×奥行き５２ｍｍの上記シランカップリング処理を施した１２μｍ厚のＳｉＯ2蒸着ＰＥＴフィルムを乗せ、次いで、上記の空間を形成したシリコンゴムシートを乗せ、調製したプレゲル溶液を上記シリコンゴムシートに形成した空間に注入し、その上に、剥離用フィルムとして、何も処理を施していない幅７６ｍｍ×奥行き５２ｍｍのＰＥＴフィルムを乗せ、最後に、蓋部材として、上記スライドガラスを被せた。
次に、上記プレゲル溶液を注入した重合用テンプレートを６０℃で２４時間加熱して、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドゲルを形成し、かつ、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドゲルをＳｉＯ2蒸着ＰＥＴフィルム上に固定化させた。
その後、重合用テンプレートからポリＮ−イソプロピルアクリルアミドゲルが固定化されたＳｉＯ2蒸着ＰＥＴフィルムを剥離し、純水で十分に洗浄した。
【００５９】
［スリットの形成］
上記ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドゲルが固定化されたＳｉＯ2蒸着ＰＥＴフィルムに、六角形の対角線を構成する線群となるように、長さ１５ｍｍの放射状スリットを形成し、本発明に係る開閉部材を得た。
なお、上述のスリット形成により、固定化されたポリＮ−イソプロピルアクリルアミドゲルも、直径１５ｍｍ、厚さ１ｍｍの円柱を略６等分にされたＶ字状の片持ち梁の形状になっている。
【００６０】
［開閉試験］
上記の本発明に係る開閉部材を純水中に置き、ＳｉＯ2蒸着ＰＥＴフィルムの外周部を固定し、水温を２５℃から４０℃の範囲で変化させて、放射状スリットの開閉を顕微鏡により観測した。
上記試験を５回繰り返した結果、５回とも温度変化に応じて放射状スリットが開閉することを確認した。放射状スリットの開口形状は、平面視上、略六角形状であり、その開口面積は、直径１５ｍｍの円の約半分であった。
【００６１】
（実施例２）
シート状の可撓性材料として、１２μｍ厚のＰＥＴフィルム（東洋紡績製Ｅ５２０２）を用い、表面処理として、イオンスパッタ装置Ｅ−１０４５（株式会社日立製作所）を用いて、真空度８．２Ｐａ、２５℃において１５ ｍＡで６０秒間フィルムの表面にアルゴンプラズマを照射したこと以外は、実施例１と同様にして、本発明に係る開閉部材を得た。
【００６２】
［開閉試験］
上記の本発明に係る開閉部材を純水中に置き、ＰＥＴフィルムの外周部を固定し、水温を２５℃から４０℃の範囲で変化させて、放射状スリットの開閉を顕微鏡により観測した。
上記試験を５回繰り返した結果、５回とも温度変化に応じて放射状スリットが開閉することを確認した。放射状スリットの開口形状は、平面視上、略六角形状であり、その開口面積は、直径１５ｍｍの円の約半分であった。
【００６３】
（実施例３）
シート状の可撓性材料として、１８μｍ厚のＯＰＰフィルム（三井化学東セロ製Ｕ−１）を用い、表面処理として、イオンスパッタ装置Ｅ−１０４５（株式会社日立製作所）を用いて、真空度８．２Ｐａ、２５℃において１５ ｍＡで６０秒間フィルムの表面にアルゴンプラズマを照射したこと以外は、実施例１と同様にして、本発明に係る開閉部材を得た。
【００６４】
［開閉試験］
上記の本発明に係る開閉部材を純水中に置き、ＯＰＰフィルムの外周部を固定し、水温を２５℃から４０℃の範囲で変化させて、放射状スリットの開閉を顕微鏡により観測した。
上記試験を５回繰り返した結果、５回とも温度変化に応じて放射状スリットが開閉することを確認した。放射状スリットの開口形状は、平面視上、略六角形状であり、その開口面積は、直径１５ｍｍの円の約半分であった。
【符号の説明】
【００６５】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ・・・開閉部材
２・・・可撓性材料
３・・・スリット
４ａ・・単量体
４・・・刺激応答性高分子ゲル
５・・・開口
６ａ・・・底部材
６ｂ・・・蓋部材
７・・・壁部材
８・・・剥離用フィルム
１０・・・流路デバイス
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・・細管
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ・・・開閉部材
１１０・・・流路デバイス
１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ・・・細管
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・開閉部材
１２０・・・流路デバイス
１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ・・・細管
Ｐ、Ｑ、Ｒ・・・流体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１又は２以上のスリットが設けられたシート状の可撓性材料の少なくとも片面に、刺激応答性高分子ゲルが固定化されている開閉部材であって、
前記スリットは、
１点から放射状に延びた線群からなり、
前記スリットによって上下方向に屈曲する領域に、
前記刺激応答性高分子ゲルが固定化されていることを特徴とする刺激応答性開閉部材。
【請求項２】
前記スリットが、六角形の対角線を構成する線群からなることを特徴とする請求項１に記載の刺激応答性開閉部材。
【請求項３】
前記刺激応答性高分子ゲルが、温度応答性高分子ゲルであることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の刺激応答性開閉部材。
【請求項４】
前記温度応答性高分子ゲルが、架橋されたアクリルアミド系ポリマーのゲルであることを特徴とする請求項３に記載の刺激応答性開閉部材。
【請求項５】
前記架橋されたアクリルアミド系ポリマーが、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドであることを特徴とする請求項４に記載の刺激応答性開閉部材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の刺激応答性開閉部材を備えた開閉機構であって、
前記刺激応答性高分子ゲルが、
刺激に応じて水溶液中で可逆的に収縮することにより、
前記スリットによって上下方向に屈曲する領域の前記シート状の可撓性部材を可逆的に屈曲させて、
前記スリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口し、
前記刺激応答性高分子ゲルが、
刺激に応じて水溶液中で可逆的に膨潤することにより、
前記スリットによって上下方向に屈曲する領域の前記シート状の可撓性部材を可逆的に屈曲させて、
前記スリットを１点に閉口することを特徴とする開閉機構。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の刺激応答性開閉部材を備えた流路デバイスであって、流路として1又は２以上の細管を有しており、前記の各細管に応じて備えられる前記刺激応答性開閉部材が、同数又は異なる数の前記スリットを有していることを特徴とする流路デバイス。
【請求項１】
１又は２以上のスリットが設けられたシート状の可撓性材料の少なくとも片面に、刺激応答性高分子ゲルが固定化されている開閉部材であって、
前記スリットは、
１点から放射状に延びた線群からなり、
前記スリットによって上下方向に屈曲する領域に、
前記刺激応答性高分子ゲルが固定化されていることを特徴とする刺激応答性開閉部材。
【請求項２】
前記スリットが、六角形の対角線を構成する線群からなることを特徴とする請求項１に記載の刺激応答性開閉部材。
【請求項３】
前記刺激応答性高分子ゲルが、温度応答性高分子ゲルであることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の刺激応答性開閉部材。
【請求項４】
前記温度応答性高分子ゲルが、架橋されたアクリルアミド系ポリマーのゲルであることを特徴とする請求項３に記載の刺激応答性開閉部材。
【請求項５】
前記架橋されたアクリルアミド系ポリマーが、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミドであることを特徴とする請求項４に記載の刺激応答性開閉部材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の刺激応答性開閉部材を備えた開閉機構であって、
前記刺激応答性高分子ゲルが、
刺激に応じて水溶液中で可逆的に収縮することにより、
前記スリットによって上下方向に屈曲する領域の前記シート状の可撓性部材を可逆的に屈曲させて、
前記スリットを、平面視上、略円状または多角形状に開口し、
前記刺激応答性高分子ゲルが、
刺激に応じて水溶液中で可逆的に膨潤することにより、
前記スリットによって上下方向に屈曲する領域の前記シート状の可撓性部材を可逆的に屈曲させて、
前記スリットを１点に閉口することを特徴とする開閉機構。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の刺激応答性開閉部材を備えた流路デバイスであって、流路として1又は２以上の細管を有しており、前記の各細管に応じて備えられる前記刺激応答性開閉部材が、同数又は異なる数の前記スリットを有していることを特徴とする流路デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２４１０９８（Ｐ２０１２−２４１０９８Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１２１６９（Ｐ２０１１−１１２１６９）
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
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