流体制御装置
【課題】 外部ポンプを操作したり、パージラインを設けることなく、バルブを初期状態に戻すことが可能な、信頼性、耐久性が高い流体制御装置を提供する。
【解決手段】 流体の流れを制御するためのバルブを備えた流体制御装置であって、第一の流路１０１と、第二の流路１０２と、前記第一の流路と前記第二の流路の間に位置し、前記第二の流路から前記第一の流路へ流体が流れたときに、前記第一の流路を塞いで閉状態にして流れを遮断する可動部材１０５を有するバルブ１０３と、前記第一の流路に前記バルブを閉状態から開状態にするための発熱体素子１０４を備える流体制御装置。
【解決手段】 流体の流れを制御するためのバルブを備えた流体制御装置であって、第一の流路１０１と、第二の流路１０２と、前記第一の流路と前記第二の流路の間に位置し、前記第二の流路から前記第一の流路へ流体が流れたときに、前記第一の流路を塞いで閉状態にして流れを遮断する可動部材１０５を有するバルブ１０３と、前記第一の流路に前記バルブを閉状態から開状態にするための発熱体素子１０４を備える流体制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れを制御するためのバルブを備えた流体制御装置に関し、特にチップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システム（μ−ＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）において、流体の流れを制御するためのバルブを用いた流体制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の流体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐと呼ばれている。基板上に微小流路や流体制御素子を形成した基板をμＴＡＳチップと呼ぶ。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。
【０００３】
上記したμ−ＴＡＳにおいて、微小流路内の流体の流れを制御するために、様々な形態のバルブがこれまでに提案されている。マイクロマシーニング技術を用いてシリコン基板上に形成されたマイクロバルブが報告されている（非特許文献１参照）。該マイクロバルブは、シリコンのダイヤフラムを圧電アクチュエータで駆動することにより、流体の流れを制御することが可能である。
【０００４】
また、図９に示すように、一方向（図９では右から左への方向）のみに流体が通過可能なようにバイパスライン９０１の形成された微小流路９０２中に、高分子よりなる可動部材９０３を形成し、流体の流れにより該可動部材９０３が移動することを利用して、一方向の流れのみが通過可能なＣｈｅｃｋ Ｖａｌｖｅ（逆止弁）を構成した例が報告されている（非特許文献２参照）。このように、アクチュエータを備えずに、流体そのものにより動作するバルブは、受動バルブ（Ｐａｓｓｉｖｅ ｖａｌｖｅ）と呼ばれている。受動バルブは、アクチュエータが不要なので、比較的単純な構造で流体を制御でき信頼性、耐久性が高い。さらに、作製コストが低い等の利点がある。
【非特許文献１】Ｍ．Ｅｓａｓｈｉ，Ｓ．Ｓｈｏｊｉ，ａｎｄ Ａ．Ｎａｋａｎｏ，“Ｎｏｒｍａｌｌｙ ｃｌｏｓｅｄ ｍｉｃｒｏｖａｌｖｅ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｏｎ ａ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ，”Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１−２，ｐ．１６３−１６９，１９８９年
【非特許文献２】Ｂ．Ｊ．Ｋｉｒｂｙ ａｎｄ Ｔ．Ｊ．Ｓｈｅｐｏｄｄ，“Ｍｉｃｒｏｖａｌｖｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｏｒｋｉｎｅｔｉｃ Ｆｌｕｉｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐｓ，”Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２００２，Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ，Ｄｏｒｄｒｅｃｈｔ，Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，ｐ．３３８−３４０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術で述べたマイクロバルブを用いて流体制御装置を構成した場合、以下に示す問題点があった。
図９を用いて、従来技術の問題点を説明する。図９（ｂ）に示すようにバルブがいったん閉状態となると、図中右側から流体を流すか、図中左側の圧力を開放しないと、バルブは初期状態（図９（ａ））に戻らない。このため外部のポンプを駆動したり、パージ用のラインを設ける必要が生じる。また、図９に示した受動バルブを複数配置して流体システムを構成した場合、所望のバルブのみを個別に初期状態に戻すことが困難な場合がある。これにより、所望の流体制御を実現するための流体システムを構成できない場合がある。
【０００６】
本発明の課題は、外部ポンプを操作したり、パージラインを設けることなく、バルブを初期状態に戻すことが可能であり、信頼性、耐久性が高い流体制御装置を提供することである。
さらに、本発明の課題は、個々のバルブを独立して初期状態に戻すことが可能な流体制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明は、流体の流れを制御するためのバルブを備えた流体制御装置であって、第一の流路と、第二の流路と、前記第一の流路と前記第二の流路の間に位置し、前記第二の流路から前記第一の流路へ流体が流れたときに、前記第一の流路を塞いで閉状態にして流れを遮断する可動部材を有するバルブと、前記第一の流路に前記バルブを閉状態から開状態にするための手段を備えることを特徴とする流体制御装置である。
【０００８】
また、本発明の流体制御システムは、流体制御装置を複数備えたことが好ましい。
本発明における流体とは、気体もしくは液体である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、外部ポンプを操作したり、パージラインを設けることなく、バルブを初期状態に戻すことが可能な流体制御装置を提供することができる。
さらに本発明により、複数のバルブを備え、個々のバルブを独立して初期状態に戻すことが可能な流体制御システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の流体制御装置の構成の一例を概略図で示したものである。本発明の流体制御装置は、第一の流路１０１、第二の流路１０２、バルブ部１０３および第一の流路１０１内に形成された発熱体素子１０４よりなる。バルブ部１０３は、可動部材１０５およびバイパスライン１０６を備えることにより、第一の流路１０１から第二の流路１０２へ向かう流れは通過させ、第二の流路１０２から第一の流路１０１へ向かう流れは遮断する一方向バルブとして機能する。発熱体素子１０３は電極（不図示）に電気的に接続されており、該電極を介して外部のパルス電源に接続されている。これにより、発熱体素子１０３にパルス電圧を印加できるようになっている。
【００１１】
図２を用いて、図１の流体制御装置のバルブ機能について説明する。
第一の流路１０１から第二の流路１０２へ流体が流れる場合、可動部材１０５は流れにより（流れにより発生した圧力差により）図の左方向に移動する。このとき流れは、バイパスライン１０６を流れることによりバルブ部１０３を通過することが可能である（図２（ａ））。
【００１２】
一方、第二の流路１０２から第一の流路１０１へ流体が流れる場合、可動部材１０５は図の右方向に移動する。このとき、可動部材１０５が流路１０１の入り口を塞ぐため、流れは遮断される（図２（ｂ））。
【００１３】
バルブ部１０３の開閉には、しきい値特性を付与させることが可能である。すなわち、第二の流路から第一の流路へ流体が流れた場合に、ある特定のしきい値流量以下の流量では、可動部材１０５は移動せず、流体は通過することが可能となる。しきい値以上の流量では、可動部材１０５が移動し、第一の流路の入り口を塞ぐことにより、流れを遮断する。このしきい値は、可動部材１０５の移動するバルブ部１０３の流路壁面と可動部材の摩擦係数を変えることにより制御することができる。また、バイパスライン１０６と第二の流路の形状、断面積の比、バルブ部の断面積等の流路デザインおよび可動部材の質量、サイズ、形状等の設計事項により、所望の値に設定することが可能である。
【００１４】
次に、本発明の重要な側面となるバルブを閉状態（図２（ｂ））から開状態（図２（ａ））に戻す方法を図３を用いて説明する。
図３（ａ）の閉状態で、発熱体素子３０２にパルス電圧を印加し、膜沸騰が生じる温度まで急速に加熱する。これにより、発熱体素子の表面には、気泡３０１が発生する（図３（ｂ））。
【００１５】
発熱体素子３０２の表面に発生した気泡は、急速に膨張する。この気泡が膨張する力により、可動部材３０３は図における左方向に移動する（図３（ｃ）〜（ｄ））。
次に、気泡３０１は収縮に転ずる（図３（ｅ））。気泡が収縮するときに、気泡の収縮力により、可動部材３０３が若干右方向に移動する場合がある。しかしながら、初期状態の図３（ａ）と比較して可動部材３０３が左に移動したことにより、バイパスライン３０４が開放され流路断面が広くなるので、可動部材３０３の気泡収縮時における変位は、気泡膨張時における変位と比較して小さくなる。このためバルブ部３０５は、開状態に復帰することができる（図３（ｆ））。
【００１６】
第一の流路内の流体にエネルギーを付与して、バルブを開状態に復帰させる手段としては、例えば、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ等のマイクロマシン技術を用いたアクチュエータを用いることも可能である。特に、本実施形態で説明したように、薄膜型の発熱体素子を用いて気泡を発生させる方式を用いることにより、流路内にメンブレン等の複雑な手段を形成することなく、エネルギーを付与することが可能である。
【００１７】
また前記手段は、バルブ部１０３に粒子等が詰まり可動部材３０３が可動できなくなった場合の回復手段として用いることができる。例えば、粒子等が詰まった状態で、前記発熱体素子を用いて気泡を発生させることにより、粒子を除去し、バルブ機能を回復することができる。
【００１８】
図４に発熱体素子１０３の具体的な構成の例を示す。発熱体素子４０１は、第一の流路４０２の壁面に形成されている。発熱体素子４０１は、薄膜抵抗体４０３の上面を保護層４０４で、下面を蓄熱層４０５挟んだ構成となっている。薄膜抵抗体４０１の両端は、保護層４０２に形成したコンタクトホール４０６を介して配線４０７に電気的に接続されている。配線４０７はパルス電圧を発生する外部電源に接続されている。配線４０７を介して薄膜抵抗体４０３にパルス電圧を印加することにより、発熱体沿い４０１の表面に気泡を発生させることができる。
【００１９】
発熱体素子４０１の厚さは、薄膜抵抗体、保護層、蓄熱層の厚さや材質にもよるが、一般的に数μｍ程度である。したがって、μＴＡＳチップで一般的な流路の幅である数１０μｍから数１００μｍの幅の流路に形成される場合、発熱体素子は流体の流れに対する立体障害にはなりにくい。
【００２０】
薄膜抵抗体４０３の材質としては、金属材料もしくは導電性を持たせたシリコン等の半導体が挙げられる。
保護層４０４の役割は、薄膜抵抗体の表面を化学反応から保護することである。したがって保護層４０４の材質としては、薬品耐性が高いものが好ましい。例えば、ＳｉＯ2 やＳｉ3 Ｎ4 等の絶縁材料、Ｔａ等の金属材料が挙げられる。また、保護層４０４には、気泡が収縮して消滅するときに発生する衝撃（キャビテーション衝撃）から、薄膜抵抗体４０３を保護する役割もある。
【００２１】
蓄熱層４０５の役割は、薄膜抵抗体４０３で発生した熱が基板側に散逸するのを防ぐことである。蓄熱層４０５を形成することにより、薄膜抵抗体４０３で発生した熱エネルギーを効率良く気泡の発生に用いることができる。蓄熱層４０５の材質としては、例えば、ＳｉＯ2 やＳｉ3 Ｎ4 等の絶縁体材料が挙げられる。
【００２２】
本発明の流体制御装置を構成するための材質としては、搬送する流体に対して耐性があれば特に制限はない。例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属材料、ガラス材料、シリコン等の半導体材料、シリコーン樹脂、アクリル系の樹脂材料等が挙げられる。また、液体の搬送に電気浸透流を用いる場合は、電気浸透流を発生させる材料を選択することが可能である。
【００２３】
可動部材１０５の材質としては、搬送する流体に対して耐性があれば特に制限はない。例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属材料、ガラス材料、シリコン等の半導体材料、シリコーン樹脂、アクリル系の樹脂材料、アルミナ、ジルコニア等のセラミック材料等が挙げられる。
【００２４】
可動部１０５の形状に関しては、第一の流路１０１を塞ぐことが可能でかつバルブ部１０３内に保持することが可能な形状であれば良い。流れに関する対称性の観点から球形状が特に好ましい。また、また、高分子等の変形可能な材料で可動部材１０５を形成し、流路１０１を塞ぐときに流路形状に従って変形させることにより、シール性を向上させることも可能である。
【００２５】
図５は本発明の流体制御装置の構成の別の例を概略図で示したものである。本発明の流体制御装置は、第一の流路５０１、第二の流路５０２、バルブ部５０３および第一の流路５０１内に形成された発熱体素子５０４よりなる。バルブ部５０３は、平板５０５および板バネ５０６およびバルブシート部５０７よりなる。流体の流れがない状態においては、平板５０５は板バネ５０６により、バルブシート部５０７に間隙５０８を保って弾性支持されている。発熱体素子５０４は電極（不図示）に電気的に接続されており、該電極を介して外部のパルス電源に接続されている。これにより、発熱体素子５０３にパルス電圧を印加できるようになっている。
【００２６】
発熱体素子５０３の構成は、図４に示した構成と同様の構成である。
発熱体素子５０３を配置する位置は、第一の流路５０１側であり、気泡の発生力がバルブ部に及ぶ位置であれば特に制限はない。図５においては、第一の流路５０１の底面に配置してあるが、例えば第一の流路５０１の側面に配置しても良い。
【００２７】
以下、バルブ部５０３の開閉動作について説明する。
第二の流路５０２から第一の流路５０１に流体が流れる場合、間隙５０８を流れるときに圧力低下が発生する。この圧力低下により、平板５０５の第一の流路５０１側（下流側）の圧力は、第二の流路５０２側（上流側）の圧力と比較して低くなる。この圧力差により平板５０５は、バルブシート部５０７へ向けて移動する。平板５０５は、上記圧力差により発生する駆動力と板バネ５０６により復元力がつりあう位置で静止する。平板５０５の前後に発生する圧力差は、流体の流量が多いほど大きくなる。バルブが閉状態となるためには、しきい値となる流量が存在する。流量がしきい値流量より大きい場合、平板５０５はバルブシート部５０７に接触し、第一の流路５０１の入り口を塞ぎ、バルブは閉状態（図５（ｂ））となる。すなわちバルブ部５０３は、ある特定のしきい値以下の流量の場合のみ、流体が通過可能なバルブとして機能する。上で述べたしきい値流量は、間隙５０８の距離、平板５０５の形状、第一の流路５０１の断面形状、第二の流路５０２の断面形状、板バネ５０５の形状、本数、厚さ等の設計パラメータを変更することにより、変更可能である。
【００２８】
一方、第一の流路５０１から第二の流路５０２へ流体が流れる場合は、バルブ部５０３の構造から明らかなように、常に流れは通過することが可能である。そのため、第二の流路５０２から第一の流路５０１への流れの流量が、上で述べたしきい値流量より大きい場合は、バルブ部５０３は一方向バルブ、逆止バルブとしての機能を有する。
【００２９】
次に、本発明の重要な側面となるバルブ部５０３を閉状態（図５（ｂ））から開状態（図５（ａ））に戻す方法を、図６を用いて説明する。
図６（ａ）の閉状態で、発熱体素子６０１にパルス電圧を印加し、膜沸騰が生じる温度まで急速に加熱する。これにより、発熱体素子６０１の表面には、気泡６０２が発生する（図６（ｂ））。
【００３０】
発熱体素子６０１の表面に発生した気泡６０２は、急速に膨張する。この気泡が膨張する力により、平板６０３は図における上方向に移動する（図６（ｃ））。
次に、気泡６０２は収縮に転ずる（図６（ｄ））。このときに、気泡の収縮力および流体が第二の流路６０５から第一の流路６０４へ移動するときに発生する駆動力により、平板６０３が下方向に移動する場合がある。上記した駆動力に板バネ６０６の復元力が打ち勝てば、バルブ部６０７は、開状態に戻る（図６（ｄ））。板バネ６０６の復元力が、上記した駆動力より弱い場合は、バルブ部６０７は再び閉状態（図６（ａ））となる。この場合でも、発熱体素子の駆動前と比較すると、第一の流路６０４側と第二の流路６０５側の圧力差は、流体が移動したことにより小さくなっている。したがって、図６（ａ）〜図６（ｄ）の工程を何度か繰り返すことにより、上記した流体の移動による駆動力は徐々に小さくなり、バルブ部６０７は、図６（ｅ）の開状態に戻ることが可能である。
【００３１】
板バネ５０６および平板５０５の材質としては、分析する溶液に対して耐性があり、かつ弾性変形に対してある程度の耐性を持つ材料であれば特に制限はない。例えばシリコンが望ましい。シリコーン樹脂、アクリル樹脂等の樹脂材料を用いることも可能である。必要に応じて、表面をコーティングしても良い。
【００３２】
第一の流路５０１を第二の流路５０２を形成する材質に関しては、分析する溶液に対して耐性がある材料であれば特に制限がない。例えば、ガラス、シリコン、シリコーン樹脂、アクリル樹脂等が挙げられる。また液体の搬送に電気浸透流を用いる場合は、電気浸透流を発生させる材料を選択することが可能である。
【００３３】
平板５０５の形状は、第一の流路５０１の入り口を遮蔽することが可能な形状であれば特に制限はない。特に円形状が、流れの対称性の観点から好ましい。特に断面形状が円形の流路に対し、流路と中心を同一とする円形状の平板を配置することによりバルブ部５０３を構成することが好ましい。これにより、バルブ部５０３における流体の流れおよび圧力分布が中心軸に対して対称となり、遮蔽部の変位を安定させることが可能となる。さらに板バネを、平板５０５とバルブ部５０３の中心軸に対して対称に配置することが好ましい。
【００３４】
本発明の流体制御装置を複数組み合わせることによってシステム化し、流体を制御することが可能である。該システムとしては、例えば、一定量の液体試料を流路より切り取って次工程へ導入するシステムが挙げられる。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。
なお、実施例中における、寸法、形状、送液手段、送液条件等は一例であり、本発明の要件を満たす範囲内であれば、設計事項として任意に変更することが可能である。
【００３６】
実施例１
本実施例では、本発明の流体制御装置を用いて、微小流路システムにおいて一定量の液体試料を切り取って次工程へ導入するシステムを構成した。図７Ａ、Ｂは、本発明の流体制御装置を用いて微小流路システムを構成した実施例を示す概念図である。
【００３７】
図７（ａ）は、本実施例の微小流路システムの概略図である。該システムは、第一の流体制御装置７０１、第二の流体制御装置７０２、流路７０３、流体ポンプ７０４、分析用素子７０５より構成される。上で述べたそれぞれの構成要素７０１〜７０５は、図７（ａ）に示したような位置関係で接続される。
【００３８】
以下、図７（ａ）の微小流路システムを用いて、一定量の液体試料を分析用素子へ導入する方法について説明する。
まず、ポンプ７０４を用いて、キャリア用液体７０６を、第一の流体制御装置７０１、第二の流体制御装置７０２、流路７０３、分析用素子７０５に満たす（図７（ｂ））。このとき、第一の流体制御装置７０１および第二の流体制御装置７０２におけるキャリア液体７０６の流量が、両流体制御装置のしきい値流量より小さくなるような送液条件で送液する。この場合は、可動部材７０７および可動部材７０８は移動しないので、キャリア液体７０６は図のように流れることが可能である。
【００３９】
次に、第一の流体制御装置７０１の上流側にある送液手段（不図示）を用いて、分析する液体試料７０９を、第一の流体制御装置から第二の流体制御装置に向かう方向に流す（図７（ｃ））。このとき、第一の流体制御装置内の流れは、常に通過可能な方向である。第二の流体制御装置内の流れの流量は、しきい値流量未満となるように送液条件を設定する。また、分析用素子７０５、ポンプ７０４への方向の流抵抗は、第二の流体制御装置７０２への方向と比較して大きくなるように流路を設計する。図７（ｃ）に示したように、流路７０３においては、切り出し部分７１０にのみ液体試料７０９が導入される。
【００４０】
次に、ポンプ７０４を動作させ、第一流体制御装置７０１、第二の流体制御装置７０２における流量がしきい値流量以上となる送液条件で、キャリア液体を送液する。このとき、可動部７０７および可動部７０８が移動することにより、第一流体制御装置７０１および第二の流体制御装置７０２内のバルブ部は閉状態となる。これにより、切り出し部７１０にあった液体試料７１１は切り出され、分析用素子７０５へ導入される（図７（ｄ））。
【００４１】
分析終了後、第一の流体制御装置の発熱体素子７１２および第二の流体制御装置の発熱体素子７１３を駆動することにより、可動部７０７および７０８を移動させ、第一流体制御装置７０１および第二の流体制御装置７０２内のバルブ部を開状態とする。この状態で、ポンプ７０４を駆動し、キャリア用液体を、流体制御装置のしきい値流量以下の流量で送液することにより、第一の流体制御装置７０１、第二の流体制御装置７０２、流路７０３、分析用素子７０５に満たす（図７（ｅ））。
【００４２】
以上の操作により、微小流路システムは、図７（ｂ）に示した初期状態に復帰する。以下、同様の工程を繰り返すことにより、異なる液体試料を分析することが可能である。
なお、図７（ｅ）において、第一の流体制御装置７０１と第二の流体制御装置７０２のしきい値流量が異なる場合は、第一の流体制御装置７０１、第二の流体制御装置７０２を同時に開状態として、キャリア用液体を満たすのが困難な場合がある。あるいは、困難ではないが効率的でない場合がある。そのような場合は、分析終了後、以下の操作を行う。
【００４３】
まず、第一の流体制御装置の発熱体素子７１２のみを駆動することにより、可動部７０７を移動させ、第一の流体制御装置７０１内のバルブ部を開状態とする。この状態で、ポンプ７０４を駆動し、キャリア用液体を、第一の流体制御装置７０１のしきい値流量以下の流量で送液することにより、第一の流体制御装置７０１、流路７０３、分析用素子７０５に満たす。このとき、第二の流体制御素子７０２内のバルブ部は閉状態なので、第二の流体制御素子７０２内には、液体試料７１１が残存している。
【００４４】
次に、ポンプ７０４を動作させ、第一流体制御装置７０１における流量がしきい値流量以上となる送液条件で、キャリア液体を短時間送液することにより、第一流体制御装置７０１内のバルブ部を閉状態とする。
【００４５】
次に、第二の流体制御装置の発熱体素子７１３のみを駆動することにより、可動部７０８を移動させ、第二の流体制御装置７０２内のバルブ部を開状態とする。この状態で、ポンプ７０４を駆動し、キャリア用液体を、第二の流体制御装置７０２のしきい値流量以下の流量で送液することにより、第二の流体制御装置７０２に満たす。
【００４６】
すなわち、本発明の流体システムでは、複数の流体制御装置を個別に駆動することが可能なため、従来技術の流体制御装置では困難であった、流体の制御が可能になる。
本流体システムでは、分析用素子７０５に導入される液体試料の体積は、切り出し部７１０の体積により規定されるので、常に一定量の液体試料を分析用素子に導入できる。これにより再現性のある分析を実施することが可能となる。
【００４７】
本実施例では、本発明の流体制御装置を用いて流体システムを構成する。これにより、分析後の流路のパージ作業が短時間で簡便に実施可能になる。これにより分析作業全体に要する時間を短縮することが可能となり、分析効率を向上させることができる。
【００４８】
図７に示した流路システムを用いて、ＨＰＬＣ（Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）分析を実施する例を説明する。
キャリア液７０６としては、１００ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ＝７．０）とメタノールを７５：２５に混合した溶液を用いる。液体試料７０９としては、安息香酸、サリチル酸、フェノールを１００ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ＝７．０）に溶解させた混合水溶液を用いる。分析用素子７０５としては、ＨＰＬＣ用のＯＤＳ（オクタデシル化シルカ）カラムを用いる。
【００４９】
上で説明した工程を用いて、液体試料７０９をＨＰＬＣカラムに導入し、各成分に分離する。分離された各成分を、波長２８０ｍｍの紫外光吸収検出器で検出することにより、安息香酸、サリチル酸、フェノールの溶離時間の差に基づいた３本の明瞭な信号ピークを得ることができる。
【００５０】
実施例２
本実施例では、本発明の流体制御装置を用いて、図８Ａ、Ｂに示した微小流路システムを構成する。本微小流路システムは、分析装置に分析する試料を導入するときのバイパス用ラインに用いられる。分析装置に試料を導入する場合、前処理した試料を分析装置に導入する際に、初期の試料は夾雑物等が混入している可能性がある。本微小流路システムを用いることにより、初期の試料をバイパスラインに流すことにより除去し、夾雑物等を除いた試料のみを分析することが可能となる。
【００５１】
本微小流路システムは、図８（ａ）に示したように、第一の流路８０１、第二の流路８０２、第三の流路８０３、第四の流路８０４、ポンプ８０５、流体制御装置８０６、分析用素子８０７より構成される。第一の流路の一端には、ポンプ８０５が接続されている。第一の流路８０１のポンプ８０５が接続された端と逆の一端は、第二の流路８０２、第四の流路８０４に分岐している。第二の流路８０２、第三の流路８０３の間に、液体搬送装置８０６が配置されている。第四の流路８０４には、分析用素子８０７が接続されている。流体制御装置８０６のバルブ部が開状態においては、第二の流路８０２側の流路抵抗は、第四の流路８０４側の流路抵抗と比較して、低くなるように流路が設計されている。
【００５２】
以下、図８（ａ）の微小流路システムを用いて、分析用素子の試料を導入する方法について説明する。
まず、ポンプ８０５を用いて、流路８０１〜８０４、流体制御装置８０６、分析用素子８０７をキャリア液８０９で満たす（図８（ａ））。
【００５３】
次に、分析する液体試料８０８を、ポンプ８０５を用いて、第一の流路８０１へ導入する。送液条件は、流体制御装置８０６のバルブ部が閉状態とならない送液条件、すなわち流体制御装置８０６における流量がしきい値流量以下となる送液条件を用いる。このとき、第二の流路８０２側の流路抵抗は、第四の流路８０４側（分析用素子８０７側）の流路抵抗と比較して低いので、液体試料は第二の流路側８０２に側に流れ、分析用素子８０７には導入されない（図８（ｂ））。第二の流路８０２、流体制御装置８０６、第三の流路８０３はバイパスラインの役割を果たす。
【００５４】
一定時間、第二の流路８０２側に液体試料を搬送し、初期の夾雑物等を含んだ試料を除去した後、送液条件を、流体制御装置８０６における流量がしきい値流量以上となる送液条件に切り替える。これにより、流体制御装置８０６のバルブ部は閉状態となる。液体試料８０８は、第二の流路８０２側に流れなくなり、分析用素子８０７に導入されて分析される（図８（ｃ））。
【００５５】
分析終了後、流体制御装置８０６のバルブ部が閉状態のまま、キャリア液８０９を送液する。これにより、第四の流路８０４及び分析用素子８０７内は、キャリア液８０９で置換される（図８（ｄ））。
【００５６】
次に、流体制御装置８０６の発熱体素子８１０を駆動することにより、バルブを開状態にする。一度の駆動で開状態に戻らない場合は、複数回駆動を行い、開状態に戻す。この状態で、流体制御装置８０６のバルブ部が閉状態とならない送液条件で、キャリア液８０９を送液する。これにより、第一の流路８０１、流体制御装置８０６、第三の流路８０３はキャリア液で置換される（図８（ｅ））。
【００５７】
以上の操作で、微小流路システムは、図８（ａ）の初期状態に戻る。以下、必要に応じて上記工程を繰り返すことにより、異なる液体試料を分析することが可能になる。
本実施例では、本発明の流体制御装置を用いて流体システムを構成する。これにより、分析後の流路のパージ作業が短時間で簡便に実施可能になる。これにより分析作業全体に要する時間を短縮することが可能となり、分析効率を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の流体制御装置は、外部ポンプを操作したり、パージラインを設けることなく、バルブを初期状態に戻すことが可能であり、チップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システムにおいて、流体の流れを制御するためのバルブ等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の流体制御装置の実施形態の一例を示す概念図である。
【図２】本発明の流体制御装置の動作を示す概念図である。
【図３】本発明の流体制御装置の動作を示す概念図である。
【図４】本発明の流体制御装置に用いる発熱体素子を示す概念図である。
【図５】本発明の流体制御装置の実施形態の一例を示す概念図である。
【図６】本発明の流体制御装置の動作を示す概念図である。
【図７Ａ】本発明の流体制御装置を用いて微小流路システムを構成した実施例を示す概念図である。
【図７Ｂ】本発明の流体制御装置を用いて微小流路システムを構成した実施例を示す概念図である。
【図８Ａ】本発明の流体制御装置を用いて微小流路システムを構成した実施例を示す概念図である。
【図８Ｂ】本発明の流体制御装置を用いて微小流路システムを構成した実施例を示す概念図である。
【図９】従来技術の流体制御装置を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０１ 第一の流路
１０２ 第二の流路
１０３ バルブ部
１０４ 発熱体素子
３０１ 気泡
３０２ 発熱体素子
３０３ 可動部材
３０４ バイパスライン
３０５ バルブ部
４０１ 発熱体素子
４０２ 第一の流路
４０３ 薄膜抵抗体
４０４ 保護層
４０５ 蓄熱層
４０６ コンタクトホール
４０７ 配線
５０１ 第一の流路
５０２ 第二の流路
５０３ バルブ部
５０４ 発熱体素子
５０５ 平板
５０６ 板バネ
５０７ バルブシート部
５０８ 間隙
６０１ 発熱体素子
６０２ 気泡
６０３ 平板
６０４ 第一の流路
６０５ 第二の流路
６０６ 板バネ
６０７ バルブ部
７０１ 第一の流体制御装置
７０２ 第二の流体制御装置
７０３ 流路
７０４ ポンプ
７０５ 分析用素子
７０６ キャリア液
７０７、７０８ 可動部材
７０９ 液体試料
７１０ 切り出し部
７１１ 液体試料
７１２，７１３ 発熱体素子
８０１ 第一の流路
８０２ 第二の流路
８０３ 第三の流路
８０４ 第四の流路
８０５ ポンプ
８０６ 流体制御装置
８０７ 分析用素子
８０８ 液体試料
８０９ キャリア液
８１０ 発熱体素子
９０１ バイパスライン
９０２ 微小流路
９０３ 可動部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れを制御するためのバルブを備えた流体制御装置に関し、特にチップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システム（μ−ＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）において、流体の流れを制御するためのバルブを用いた流体制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の流体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐと呼ばれている。基板上に微小流路や流体制御素子を形成した基板をμＴＡＳチップと呼ぶ。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。
【０００３】
上記したμ−ＴＡＳにおいて、微小流路内の流体の流れを制御するために、様々な形態のバルブがこれまでに提案されている。マイクロマシーニング技術を用いてシリコン基板上に形成されたマイクロバルブが報告されている（非特許文献１参照）。該マイクロバルブは、シリコンのダイヤフラムを圧電アクチュエータで駆動することにより、流体の流れを制御することが可能である。
【０００４】
また、図９に示すように、一方向（図９では右から左への方向）のみに流体が通過可能なようにバイパスライン９０１の形成された微小流路９０２中に、高分子よりなる可動部材９０３を形成し、流体の流れにより該可動部材９０３が移動することを利用して、一方向の流れのみが通過可能なＣｈｅｃｋ Ｖａｌｖｅ（逆止弁）を構成した例が報告されている（非特許文献２参照）。このように、アクチュエータを備えずに、流体そのものにより動作するバルブは、受動バルブ（Ｐａｓｓｉｖｅ ｖａｌｖｅ）と呼ばれている。受動バルブは、アクチュエータが不要なので、比較的単純な構造で流体を制御でき信頼性、耐久性が高い。さらに、作製コストが低い等の利点がある。
【非特許文献１】Ｍ．Ｅｓａｓｈｉ，Ｓ．Ｓｈｏｊｉ，ａｎｄ Ａ．Ｎａｋａｎｏ，“Ｎｏｒｍａｌｌｙ ｃｌｏｓｅｄ ｍｉｃｒｏｖａｌｖｅ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｏｎ ａ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ，”Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１−２，ｐ．１６３−１６９，１９８９年
【非特許文献２】Ｂ．Ｊ．Ｋｉｒｂｙ ａｎｄ Ｔ．Ｊ．Ｓｈｅｐｏｄｄ，“Ｍｉｃｒｏｖａｌｖｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｏｒｋｉｎｅｔｉｃ Ｆｌｕｉｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐｓ，”Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２００２，Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ，Ｄｏｒｄｒｅｃｈｔ，Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，ｐ．３３８−３４０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術で述べたマイクロバルブを用いて流体制御装置を構成した場合、以下に示す問題点があった。
図９を用いて、従来技術の問題点を説明する。図９（ｂ）に示すようにバルブがいったん閉状態となると、図中右側から流体を流すか、図中左側の圧力を開放しないと、バルブは初期状態（図９（ａ））に戻らない。このため外部のポンプを駆動したり、パージ用のラインを設ける必要が生じる。また、図９に示した受動バルブを複数配置して流体システムを構成した場合、所望のバルブのみを個別に初期状態に戻すことが困難な場合がある。これにより、所望の流体制御を実現するための流体システムを構成できない場合がある。
【０００６】
本発明の課題は、外部ポンプを操作したり、パージラインを設けることなく、バルブを初期状態に戻すことが可能であり、信頼性、耐久性が高い流体制御装置を提供することである。
さらに、本発明の課題は、個々のバルブを独立して初期状態に戻すことが可能な流体制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明は、流体の流れを制御するためのバルブを備えた流体制御装置であって、第一の流路と、第二の流路と、前記第一の流路と前記第二の流路の間に位置し、前記第二の流路から前記第一の流路へ流体が流れたときに、前記第一の流路を塞いで閉状態にして流れを遮断する可動部材を有するバルブと、前記第一の流路に前記バルブを閉状態から開状態にするための手段を備えることを特徴とする流体制御装置である。
【０００８】
また、本発明の流体制御システムは、流体制御装置を複数備えたことが好ましい。
本発明における流体とは、気体もしくは液体である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、外部ポンプを操作したり、パージラインを設けることなく、バルブを初期状態に戻すことが可能な流体制御装置を提供することができる。
さらに本発明により、複数のバルブを備え、個々のバルブを独立して初期状態に戻すことが可能な流体制御システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の流体制御装置の構成の一例を概略図で示したものである。本発明の流体制御装置は、第一の流路１０１、第二の流路１０２、バルブ部１０３および第一の流路１０１内に形成された発熱体素子１０４よりなる。バルブ部１０３は、可動部材１０５およびバイパスライン１０６を備えることにより、第一の流路１０１から第二の流路１０２へ向かう流れは通過させ、第二の流路１０２から第一の流路１０１へ向かう流れは遮断する一方向バルブとして機能する。発熱体素子１０３は電極（不図示）に電気的に接続されており、該電極を介して外部のパルス電源に接続されている。これにより、発熱体素子１０３にパルス電圧を印加できるようになっている。
【００１１】
図２を用いて、図１の流体制御装置のバルブ機能について説明する。
第一の流路１０１から第二の流路１０２へ流体が流れる場合、可動部材１０５は流れにより（流れにより発生した圧力差により）図の左方向に移動する。このとき流れは、バイパスライン１０６を流れることによりバルブ部１０３を通過することが可能である（図２（ａ））。
【００１２】
一方、第二の流路１０２から第一の流路１０１へ流体が流れる場合、可動部材１０５は図の右方向に移動する。このとき、可動部材１０５が流路１０１の入り口を塞ぐため、流れは遮断される（図２（ｂ））。
【００１３】
バルブ部１０３の開閉には、しきい値特性を付与させることが可能である。すなわち、第二の流路から第一の流路へ流体が流れた場合に、ある特定のしきい値流量以下の流量では、可動部材１０５は移動せず、流体は通過することが可能となる。しきい値以上の流量では、可動部材１０５が移動し、第一の流路の入り口を塞ぐことにより、流れを遮断する。このしきい値は、可動部材１０５の移動するバルブ部１０３の流路壁面と可動部材の摩擦係数を変えることにより制御することができる。また、バイパスライン１０６と第二の流路の形状、断面積の比、バルブ部の断面積等の流路デザインおよび可動部材の質量、サイズ、形状等の設計事項により、所望の値に設定することが可能である。
【００１４】
次に、本発明の重要な側面となるバルブを閉状態（図２（ｂ））から開状態（図２（ａ））に戻す方法を図３を用いて説明する。
図３（ａ）の閉状態で、発熱体素子３０２にパルス電圧を印加し、膜沸騰が生じる温度まで急速に加熱する。これにより、発熱体素子の表面には、気泡３０１が発生する（図３（ｂ））。
【００１５】
発熱体素子３０２の表面に発生した気泡は、急速に膨張する。この気泡が膨張する力により、可動部材３０３は図における左方向に移動する（図３（ｃ）〜（ｄ））。
次に、気泡３０１は収縮に転ずる（図３（ｅ））。気泡が収縮するときに、気泡の収縮力により、可動部材３０３が若干右方向に移動する場合がある。しかしながら、初期状態の図３（ａ）と比較して可動部材３０３が左に移動したことにより、バイパスライン３０４が開放され流路断面が広くなるので、可動部材３０３の気泡収縮時における変位は、気泡膨張時における変位と比較して小さくなる。このためバルブ部３０５は、開状態に復帰することができる（図３（ｆ））。
【００１６】
第一の流路内の流体にエネルギーを付与して、バルブを開状態に復帰させる手段としては、例えば、静電アクチュエータ、圧電アクチュエータ等のマイクロマシン技術を用いたアクチュエータを用いることも可能である。特に、本実施形態で説明したように、薄膜型の発熱体素子を用いて気泡を発生させる方式を用いることにより、流路内にメンブレン等の複雑な手段を形成することなく、エネルギーを付与することが可能である。
【００１７】
また前記手段は、バルブ部１０３に粒子等が詰まり可動部材３０３が可動できなくなった場合の回復手段として用いることができる。例えば、粒子等が詰まった状態で、前記発熱体素子を用いて気泡を発生させることにより、粒子を除去し、バルブ機能を回復することができる。
【００１８】
図４に発熱体素子１０３の具体的な構成の例を示す。発熱体素子４０１は、第一の流路４０２の壁面に形成されている。発熱体素子４０１は、薄膜抵抗体４０３の上面を保護層４０４で、下面を蓄熱層４０５挟んだ構成となっている。薄膜抵抗体４０１の両端は、保護層４０２に形成したコンタクトホール４０６を介して配線４０７に電気的に接続されている。配線４０７はパルス電圧を発生する外部電源に接続されている。配線４０７を介して薄膜抵抗体４０３にパルス電圧を印加することにより、発熱体沿い４０１の表面に気泡を発生させることができる。
【００１９】
発熱体素子４０１の厚さは、薄膜抵抗体、保護層、蓄熱層の厚さや材質にもよるが、一般的に数μｍ程度である。したがって、μＴＡＳチップで一般的な流路の幅である数１０μｍから数１００μｍの幅の流路に形成される場合、発熱体素子は流体の流れに対する立体障害にはなりにくい。
【００２０】
薄膜抵抗体４０３の材質としては、金属材料もしくは導電性を持たせたシリコン等の半導体が挙げられる。
保護層４０４の役割は、薄膜抵抗体の表面を化学反応から保護することである。したがって保護層４０４の材質としては、薬品耐性が高いものが好ましい。例えば、ＳｉＯ2 やＳｉ3 Ｎ4 等の絶縁材料、Ｔａ等の金属材料が挙げられる。また、保護層４０４には、気泡が収縮して消滅するときに発生する衝撃（キャビテーション衝撃）から、薄膜抵抗体４０３を保護する役割もある。
【００２１】
蓄熱層４０５の役割は、薄膜抵抗体４０３で発生した熱が基板側に散逸するのを防ぐことである。蓄熱層４０５を形成することにより、薄膜抵抗体４０３で発生した熱エネルギーを効率良く気泡の発生に用いることができる。蓄熱層４０５の材質としては、例えば、ＳｉＯ2 やＳｉ3 Ｎ4 等の絶縁体材料が挙げられる。
【００２２】
本発明の流体制御装置を構成するための材質としては、搬送する流体に対して耐性があれば特に制限はない。例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属材料、ガラス材料、シリコン等の半導体材料、シリコーン樹脂、アクリル系の樹脂材料等が挙げられる。また、液体の搬送に電気浸透流を用いる場合は、電気浸透流を発生させる材料を選択することが可能である。
【００２３】
可動部材１０５の材質としては、搬送する流体に対して耐性があれば特に制限はない。例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属材料、ガラス材料、シリコン等の半導体材料、シリコーン樹脂、アクリル系の樹脂材料、アルミナ、ジルコニア等のセラミック材料等が挙げられる。
【００２４】
可動部１０５の形状に関しては、第一の流路１０１を塞ぐことが可能でかつバルブ部１０３内に保持することが可能な形状であれば良い。流れに関する対称性の観点から球形状が特に好ましい。また、また、高分子等の変形可能な材料で可動部材１０５を形成し、流路１０１を塞ぐときに流路形状に従って変形させることにより、シール性を向上させることも可能である。
【００２５】
図５は本発明の流体制御装置の構成の別の例を概略図で示したものである。本発明の流体制御装置は、第一の流路５０１、第二の流路５０２、バルブ部５０３および第一の流路５０１内に形成された発熱体素子５０４よりなる。バルブ部５０３は、平板５０５および板バネ５０６およびバルブシート部５０７よりなる。流体の流れがない状態においては、平板５０５は板バネ５０６により、バルブシート部５０７に間隙５０８を保って弾性支持されている。発熱体素子５０４は電極（不図示）に電気的に接続されており、該電極を介して外部のパルス電源に接続されている。これにより、発熱体素子５０３にパルス電圧を印加できるようになっている。
【００２６】
発熱体素子５０３の構成は、図４に示した構成と同様の構成である。
発熱体素子５０３を配置する位置は、第一の流路５０１側であり、気泡の発生力がバルブ部に及ぶ位置であれば特に制限はない。図５においては、第一の流路５０１の底面に配置してあるが、例えば第一の流路５０１の側面に配置しても良い。
【００２７】
以下、バルブ部５０３の開閉動作について説明する。
第二の流路５０２から第一の流路５０１に流体が流れる場合、間隙５０８を流れるときに圧力低下が発生する。この圧力低下により、平板５０５の第一の流路５０１側（下流側）の圧力は、第二の流路５０２側（上流側）の圧力と比較して低くなる。この圧力差により平板５０５は、バルブシート部５０７へ向けて移動する。平板５０５は、上記圧力差により発生する駆動力と板バネ５０６により復元力がつりあう位置で静止する。平板５０５の前後に発生する圧力差は、流体の流量が多いほど大きくなる。バルブが閉状態となるためには、しきい値となる流量が存在する。流量がしきい値流量より大きい場合、平板５０５はバルブシート部５０７に接触し、第一の流路５０１の入り口を塞ぎ、バルブは閉状態（図５（ｂ））となる。すなわちバルブ部５０３は、ある特定のしきい値以下の流量の場合のみ、流体が通過可能なバルブとして機能する。上で述べたしきい値流量は、間隙５０８の距離、平板５０５の形状、第一の流路５０１の断面形状、第二の流路５０２の断面形状、板バネ５０５の形状、本数、厚さ等の設計パラメータを変更することにより、変更可能である。
【００２８】
一方、第一の流路５０１から第二の流路５０２へ流体が流れる場合は、バルブ部５０３の構造から明らかなように、常に流れは通過することが可能である。そのため、第二の流路５０２から第一の流路５０１への流れの流量が、上で述べたしきい値流量より大きい場合は、バルブ部５０３は一方向バルブ、逆止バルブとしての機能を有する。
【００２９】
次に、本発明の重要な側面となるバルブ部５０３を閉状態（図５（ｂ））から開状態（図５（ａ））に戻す方法を、図６を用いて説明する。
図６（ａ）の閉状態で、発熱体素子６０１にパルス電圧を印加し、膜沸騰が生じる温度まで急速に加熱する。これにより、発熱体素子６０１の表面には、気泡６０２が発生する（図６（ｂ））。
【００３０】
発熱体素子６０１の表面に発生した気泡６０２は、急速に膨張する。この気泡が膨張する力により、平板６０３は図における上方向に移動する（図６（ｃ））。
次に、気泡６０２は収縮に転ずる（図６（ｄ））。このときに、気泡の収縮力および流体が第二の流路６０５から第一の流路６０４へ移動するときに発生する駆動力により、平板６０３が下方向に移動する場合がある。上記した駆動力に板バネ６０６の復元力が打ち勝てば、バルブ部６０７は、開状態に戻る（図６（ｄ））。板バネ６０６の復元力が、上記した駆動力より弱い場合は、バルブ部６０７は再び閉状態（図６（ａ））となる。この場合でも、発熱体素子の駆動前と比較すると、第一の流路６０４側と第二の流路６０５側の圧力差は、流体が移動したことにより小さくなっている。したがって、図６（ａ）〜図６（ｄ）の工程を何度か繰り返すことにより、上記した流体の移動による駆動力は徐々に小さくなり、バルブ部６０７は、図６（ｅ）の開状態に戻ることが可能である。
【００３１】
板バネ５０６および平板５０５の材質としては、分析する溶液に対して耐性があり、かつ弾性変形に対してある程度の耐性を持つ材料であれば特に制限はない。例えばシリコンが望ましい。シリコーン樹脂、アクリル樹脂等の樹脂材料を用いることも可能である。必要に応じて、表面をコーティングしても良い。
【００３２】
第一の流路５０１を第二の流路５０２を形成する材質に関しては、分析する溶液に対して耐性がある材料であれば特に制限がない。例えば、ガラス、シリコン、シリコーン樹脂、アクリル樹脂等が挙げられる。また液体の搬送に電気浸透流を用いる場合は、電気浸透流を発生させる材料を選択することが可能である。
【００３３】
平板５０５の形状は、第一の流路５０１の入り口を遮蔽することが可能な形状であれば特に制限はない。特に円形状が、流れの対称性の観点から好ましい。特に断面形状が円形の流路に対し、流路と中心を同一とする円形状の平板を配置することによりバルブ部５０３を構成することが好ましい。これにより、バルブ部５０３における流体の流れおよび圧力分布が中心軸に対して対称となり、遮蔽部の変位を安定させることが可能となる。さらに板バネを、平板５０５とバルブ部５０３の中心軸に対して対称に配置することが好ましい。
【００３４】
本発明の流体制御装置を複数組み合わせることによってシステム化し、流体を制御することが可能である。該システムとしては、例えば、一定量の液体試料を流路より切り取って次工程へ導入するシステムが挙げられる。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。
なお、実施例中における、寸法、形状、送液手段、送液条件等は一例であり、本発明の要件を満たす範囲内であれば、設計事項として任意に変更することが可能である。
【００３６】
実施例１
本実施例では、本発明の流体制御装置を用いて、微小流路システムにおいて一定量の液体試料を切り取って次工程へ導入するシステムを構成した。図７Ａ、Ｂは、本発明の流体制御装置を用いて微小流路システムを構成した実施例を示す概念図である。
【００３７】
図７（ａ）は、本実施例の微小流路システムの概略図である。該システムは、第一の流体制御装置７０１、第二の流体制御装置７０２、流路７０３、流体ポンプ７０４、分析用素子７０５より構成される。上で述べたそれぞれの構成要素７０１〜７０５は、図７（ａ）に示したような位置関係で接続される。
【００３８】
以下、図７（ａ）の微小流路システムを用いて、一定量の液体試料を分析用素子へ導入する方法について説明する。
まず、ポンプ７０４を用いて、キャリア用液体７０６を、第一の流体制御装置７０１、第二の流体制御装置７０２、流路７０３、分析用素子７０５に満たす（図７（ｂ））。このとき、第一の流体制御装置７０１および第二の流体制御装置７０２におけるキャリア液体７０６の流量が、両流体制御装置のしきい値流量より小さくなるような送液条件で送液する。この場合は、可動部材７０７および可動部材７０８は移動しないので、キャリア液体７０６は図のように流れることが可能である。
【００３９】
次に、第一の流体制御装置７０１の上流側にある送液手段（不図示）を用いて、分析する液体試料７０９を、第一の流体制御装置から第二の流体制御装置に向かう方向に流す（図７（ｃ））。このとき、第一の流体制御装置内の流れは、常に通過可能な方向である。第二の流体制御装置内の流れの流量は、しきい値流量未満となるように送液条件を設定する。また、分析用素子７０５、ポンプ７０４への方向の流抵抗は、第二の流体制御装置７０２への方向と比較して大きくなるように流路を設計する。図７（ｃ）に示したように、流路７０３においては、切り出し部分７１０にのみ液体試料７０９が導入される。
【００４０】
次に、ポンプ７０４を動作させ、第一流体制御装置７０１、第二の流体制御装置７０２における流量がしきい値流量以上となる送液条件で、キャリア液体を送液する。このとき、可動部７０７および可動部７０８が移動することにより、第一流体制御装置７０１および第二の流体制御装置７０２内のバルブ部は閉状態となる。これにより、切り出し部７１０にあった液体試料７１１は切り出され、分析用素子７０５へ導入される（図７（ｄ））。
【００４１】
分析終了後、第一の流体制御装置の発熱体素子７１２および第二の流体制御装置の発熱体素子７１３を駆動することにより、可動部７０７および７０８を移動させ、第一流体制御装置７０１および第二の流体制御装置７０２内のバルブ部を開状態とする。この状態で、ポンプ７０４を駆動し、キャリア用液体を、流体制御装置のしきい値流量以下の流量で送液することにより、第一の流体制御装置７０１、第二の流体制御装置７０２、流路７０３、分析用素子７０５に満たす（図７（ｅ））。
【００４２】
以上の操作により、微小流路システムは、図７（ｂ）に示した初期状態に復帰する。以下、同様の工程を繰り返すことにより、異なる液体試料を分析することが可能である。
なお、図７（ｅ）において、第一の流体制御装置７０１と第二の流体制御装置７０２のしきい値流量が異なる場合は、第一の流体制御装置７０１、第二の流体制御装置７０２を同時に開状態として、キャリア用液体を満たすのが困難な場合がある。あるいは、困難ではないが効率的でない場合がある。そのような場合は、分析終了後、以下の操作を行う。
【００４３】
まず、第一の流体制御装置の発熱体素子７１２のみを駆動することにより、可動部７０７を移動させ、第一の流体制御装置７０１内のバルブ部を開状態とする。この状態で、ポンプ７０４を駆動し、キャリア用液体を、第一の流体制御装置７０１のしきい値流量以下の流量で送液することにより、第一の流体制御装置７０１、流路７０３、分析用素子７０５に満たす。このとき、第二の流体制御素子７０２内のバルブ部は閉状態なので、第二の流体制御素子７０２内には、液体試料７１１が残存している。
【００４４】
次に、ポンプ７０４を動作させ、第一流体制御装置７０１における流量がしきい値流量以上となる送液条件で、キャリア液体を短時間送液することにより、第一流体制御装置７０１内のバルブ部を閉状態とする。
【００４５】
次に、第二の流体制御装置の発熱体素子７１３のみを駆動することにより、可動部７０８を移動させ、第二の流体制御装置７０２内のバルブ部を開状態とする。この状態で、ポンプ７０４を駆動し、キャリア用液体を、第二の流体制御装置７０２のしきい値流量以下の流量で送液することにより、第二の流体制御装置７０２に満たす。
【００４６】
すなわち、本発明の流体システムでは、複数の流体制御装置を個別に駆動することが可能なため、従来技術の流体制御装置では困難であった、流体の制御が可能になる。
本流体システムでは、分析用素子７０５に導入される液体試料の体積は、切り出し部７１０の体積により規定されるので、常に一定量の液体試料を分析用素子に導入できる。これにより再現性のある分析を実施することが可能となる。
【００４７】
本実施例では、本発明の流体制御装置を用いて流体システムを構成する。これにより、分析後の流路のパージ作業が短時間で簡便に実施可能になる。これにより分析作業全体に要する時間を短縮することが可能となり、分析効率を向上させることができる。
【００４８】
図７に示した流路システムを用いて、ＨＰＬＣ（Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）分析を実施する例を説明する。
キャリア液７０６としては、１００ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ＝７．０）とメタノールを７５：２５に混合した溶液を用いる。液体試料７０９としては、安息香酸、サリチル酸、フェノールを１００ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ＝７．０）に溶解させた混合水溶液を用いる。分析用素子７０５としては、ＨＰＬＣ用のＯＤＳ（オクタデシル化シルカ）カラムを用いる。
【００４９】
上で説明した工程を用いて、液体試料７０９をＨＰＬＣカラムに導入し、各成分に分離する。分離された各成分を、波長２８０ｍｍの紫外光吸収検出器で検出することにより、安息香酸、サリチル酸、フェノールの溶離時間の差に基づいた３本の明瞭な信号ピークを得ることができる。
【００５０】
実施例２
本実施例では、本発明の流体制御装置を用いて、図８Ａ、Ｂに示した微小流路システムを構成する。本微小流路システムは、分析装置に分析する試料を導入するときのバイパス用ラインに用いられる。分析装置に試料を導入する場合、前処理した試料を分析装置に導入する際に、初期の試料は夾雑物等が混入している可能性がある。本微小流路システムを用いることにより、初期の試料をバイパスラインに流すことにより除去し、夾雑物等を除いた試料のみを分析することが可能となる。
【００５１】
本微小流路システムは、図８（ａ）に示したように、第一の流路８０１、第二の流路８０２、第三の流路８０３、第四の流路８０４、ポンプ８０５、流体制御装置８０６、分析用素子８０７より構成される。第一の流路の一端には、ポンプ８０５が接続されている。第一の流路８０１のポンプ８０５が接続された端と逆の一端は、第二の流路８０２、第四の流路８０４に分岐している。第二の流路８０２、第三の流路８０３の間に、液体搬送装置８０６が配置されている。第四の流路８０４には、分析用素子８０７が接続されている。流体制御装置８０６のバルブ部が開状態においては、第二の流路８０２側の流路抵抗は、第四の流路８０４側の流路抵抗と比較して、低くなるように流路が設計されている。
【００５２】
以下、図８（ａ）の微小流路システムを用いて、分析用素子の試料を導入する方法について説明する。
まず、ポンプ８０５を用いて、流路８０１〜８０４、流体制御装置８０６、分析用素子８０７をキャリア液８０９で満たす（図８（ａ））。
【００５３】
次に、分析する液体試料８０８を、ポンプ８０５を用いて、第一の流路８０１へ導入する。送液条件は、流体制御装置８０６のバルブ部が閉状態とならない送液条件、すなわち流体制御装置８０６における流量がしきい値流量以下となる送液条件を用いる。このとき、第二の流路８０２側の流路抵抗は、第四の流路８０４側（分析用素子８０７側）の流路抵抗と比較して低いので、液体試料は第二の流路側８０２に側に流れ、分析用素子８０７には導入されない（図８（ｂ））。第二の流路８０２、流体制御装置８０６、第三の流路８０３はバイパスラインの役割を果たす。
【００５４】
一定時間、第二の流路８０２側に液体試料を搬送し、初期の夾雑物等を含んだ試料を除去した後、送液条件を、流体制御装置８０６における流量がしきい値流量以上となる送液条件に切り替える。これにより、流体制御装置８０６のバルブ部は閉状態となる。液体試料８０８は、第二の流路８０２側に流れなくなり、分析用素子８０７に導入されて分析される（図８（ｃ））。
【００５５】
分析終了後、流体制御装置８０６のバルブ部が閉状態のまま、キャリア液８０９を送液する。これにより、第四の流路８０４及び分析用素子８０７内は、キャリア液８０９で置換される（図８（ｄ））。
【００５６】
次に、流体制御装置８０６の発熱体素子８１０を駆動することにより、バルブを開状態にする。一度の駆動で開状態に戻らない場合は、複数回駆動を行い、開状態に戻す。この状態で、流体制御装置８０６のバルブ部が閉状態とならない送液条件で、キャリア液８０９を送液する。これにより、第一の流路８０１、流体制御装置８０６、第三の流路８０３はキャリア液で置換される（図８（ｅ））。
【００５７】
以上の操作で、微小流路システムは、図８（ａ）の初期状態に戻る。以下、必要に応じて上記工程を繰り返すことにより、異なる液体試料を分析することが可能になる。
本実施例では、本発明の流体制御装置を用いて流体システムを構成する。これにより、分析後の流路のパージ作業が短時間で簡便に実施可能になる。これにより分析作業全体に要する時間を短縮することが可能となり、分析効率を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の流体制御装置は、外部ポンプを操作したり、パージラインを設けることなく、バルブを初期状態に戻すことが可能であり、チップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システムにおいて、流体の流れを制御するためのバルブ等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の流体制御装置の実施形態の一例を示す概念図である。
【図２】本発明の流体制御装置の動作を示す概念図である。
【図３】本発明の流体制御装置の動作を示す概念図である。
【図４】本発明の流体制御装置に用いる発熱体素子を示す概念図である。
【図５】本発明の流体制御装置の実施形態の一例を示す概念図である。
【図６】本発明の流体制御装置の動作を示す概念図である。
【図７Ａ】本発明の流体制御装置を用いて微小流路システムを構成した実施例を示す概念図である。
【図７Ｂ】本発明の流体制御装置を用いて微小流路システムを構成した実施例を示す概念図である。
【図８Ａ】本発明の流体制御装置を用いて微小流路システムを構成した実施例を示す概念図である。
【図８Ｂ】本発明の流体制御装置を用いて微小流路システムを構成した実施例を示す概念図である。
【図９】従来技術の流体制御装置を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０１ 第一の流路
１０２ 第二の流路
１０３ バルブ部
１０４ 発熱体素子
３０１ 気泡
３０２ 発熱体素子
３０３ 可動部材
３０４ バイパスライン
３０５ バルブ部
４０１ 発熱体素子
４０２ 第一の流路
４０３ 薄膜抵抗体
４０４ 保護層
４０５ 蓄熱層
４０６ コンタクトホール
４０７ 配線
５０１ 第一の流路
５０２ 第二の流路
５０３ バルブ部
５０４ 発熱体素子
５０５ 平板
５０６ 板バネ
５０７ バルブシート部
５０８ 間隙
６０１ 発熱体素子
６０２ 気泡
６０３ 平板
６０４ 第一の流路
６０５ 第二の流路
６０６ 板バネ
６０７ バルブ部
７０１ 第一の流体制御装置
７０２ 第二の流体制御装置
７０３ 流路
７０４ ポンプ
７０５ 分析用素子
７０６ キャリア液
７０７、７０８ 可動部材
７０９ 液体試料
７１０ 切り出し部
７１１ 液体試料
７１２，７１３ 発熱体素子
８０１ 第一の流路
８０２ 第二の流路
８０３ 第三の流路
８０４ 第四の流路
８０５ ポンプ
８０６ 流体制御装置
８０７ 分析用素子
８０８ 液体試料
８０９ キャリア液
８１０ 発熱体素子
９０１ バイパスライン
９０２ 微小流路
９０３ 可動部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れを制御するためのバルブを備えた流体制御装置であって、第一の流路と、第二の流路と、前記第一の流路と前記第二の流路の間に位置し、前記第二の流路から前記第一の流路へ流体が流れたときに、前記第一の流路を塞いで閉状態にして流れを遮断する可動部材を有するバルブと、前記第一の流路に前記バルブを閉状態から開状態にするための手段を備えることを特徴とする流体制御装置。
【請求項２】
前記バルブを開状態にするための手段が、前記バルブが閉状態において、前記第一の流路内の流体にエネルギーを付与することにより前記可動部材を駆動して開状態にする手段であることを特徴とする請求項１記載の流体制御装置。
【請求項３】
前記流体が液体であり、前記バルブを開状態にするための手段が、前記第一の流路内の液体を急速に加熱することにより前記流路内に気泡を発生させる発熱体素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の流体制御装置。
【請求項４】
前記バルブが、前記可動部材を前記流路の所定の位置に配置するための弾性体を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の流体制御装置。
【請求項５】
前記バルブが、前記第一の流路と前記第二の流路との間の圧力差が所定の圧力値Ｐ0 未満のときは流体を通過させ、前記圧力差がＰ0 以上のときは流体の流れを遮断することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の流体制御装置。
【請求項６】
前記バルブが、前記第二の流路から前記第一の流路への流れの流量が所定の流量Ｑ0 未満のときは流体を通過させ、前記流量がＱ0 以上のときは流体の流れを遮断することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの項に記載の流体制御装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の流体制御装置を複数備えたことを特徴とする流体制御システム。
【請求項１】
流体の流れを制御するためのバルブを備えた流体制御装置であって、第一の流路と、第二の流路と、前記第一の流路と前記第二の流路の間に位置し、前記第二の流路から前記第一の流路へ流体が流れたときに、前記第一の流路を塞いで閉状態にして流れを遮断する可動部材を有するバルブと、前記第一の流路に前記バルブを閉状態から開状態にするための手段を備えることを特徴とする流体制御装置。
【請求項２】
前記バルブを開状態にするための手段が、前記バルブが閉状態において、前記第一の流路内の流体にエネルギーを付与することにより前記可動部材を駆動して開状態にする手段であることを特徴とする請求項１記載の流体制御装置。
【請求項３】
前記流体が液体であり、前記バルブを開状態にするための手段が、前記第一の流路内の液体を急速に加熱することにより前記流路内に気泡を発生させる発熱体素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の流体制御装置。
【請求項４】
前記バルブが、前記可動部材を前記流路の所定の位置に配置するための弾性体を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の流体制御装置。
【請求項５】
前記バルブが、前記第一の流路と前記第二の流路との間の圧力差が所定の圧力値Ｐ0 未満のときは流体を通過させ、前記圧力差がＰ0 以上のときは流体の流れを遮断することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の流体制御装置。
【請求項６】
前記バルブが、前記第二の流路から前記第一の流路への流れの流量が所定の流量Ｑ0 未満のときは流体を通過させ、前記流量がＱ0 以上のときは流体の流れを遮断することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの項に記載の流体制御装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の流体制御装置を複数備えたことを特徴とする流体制御システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【公開番号】特開２００６−４６６０５（Ｐ２００６−４６６０５Ａ）
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２３１５９０（Ｐ２００４−２３１５９０）
【出願日】平成１６年８月６日（２００４．８．６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月６日（２００４．８．６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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