流体搬送装置
【課題】 バルブが閉じる圧力値を変更可能な流体搬送装置を提供する。
【解決手段】 流体の流れを制御するための流体搬送装置であって、前記流体の流路と、前記流路の途中に位置するバルブ１０１とを備え、前記バルブは前記流路に流体が流れたときに前記流路の上流側１０４と下流側１０３との間に生じる圧力差によって作動し、前記差圧が所定の値未満のときは流体を通過させ、前記圧力差が前記所定の値以上のときは流体の流れを遮断し、前記所定の値は可変であることを特徴とする流体搬送装置。
【解決手段】 流体の流れを制御するための流体搬送装置であって、前記流体の流路と、前記流路の途中に位置するバルブ１０１とを備え、前記バルブは前記流路に流体が流れたときに前記流路の上流側１０４と下流側１０３との間に生じる圧力差によって作動し、前記差圧が所定の値未満のときは流体を通過させ、前記圧力差が前記所定の値以上のときは流体の流れを遮断し、前記所定の値は可変であることを特徴とする流体搬送装置。
【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搬送方法に関し、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 ＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓ 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搬送装置に関する。
【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。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】
上述したμ−ＴＡＳにおいて、微小流路内の流体の流れを制御するのに、様々な形態のバルブがこれまでに提案されている。従来技術のバルブには、板状の部材を弾性的に支持したバルブが報告されている（特許文献１参照）。
【０００４】
以下、図８により従来のバルブについて説明する。図８（ａ）は所定の液圧になると閉じる弁（ローパスバルブ）の平面図である。図８のバルブは、弁座体８０１を有しており、弁座体８０１は弁本体内に固定されている。弁座体８０１の中心には図８（ｂ）に示すような流路８０２が形成されており、この流路８０２の入口側には変形可能な弾性部材からなる弁体８０３が取り付けられている。弁体８０３は常時は図８（ｂ）に示すように流路８０２を開いているが、流路中に流れる流体圧がある所定の流体圧（以下、閾値という）以上になると、図８（ｃ）に示すように弁体８０３が上方に変形し、弁座体８０１に形成した流路８０２を閉じる。この結果、前記バルブは所定の流体圧になると流路が閉じ、流体が流出することを止める。
【特許文献１】特開２００１−７０４５３号公報
【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、従来のバルブは、一旦製作すると流路寸法や弁体の形状を変更することができないため、閾値を変更することができない。また、バルブを構成する基板が強固に接合されているため、作製後に基板を分離することができない。このため、弁体と弁座の間に異物が混入した場合、その異物を取り除くことが非常に困難である。
【０００６】
したがって、本発明の課題は、バルブの閉じる閾値を任意に変更可能とする流体搬送装置を提供することである。さらに、バルブと流路を分解可能とする流体搬送装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明は、流体を流すための流路と、前記流路の途中に位置し前記流体の流れを制御するためのバルブとを備えた流体搬送装置であって、前記バルブは前記流路に流体が流れたときに前記流路の上流側と下流側との間に生じる圧力差によって作動し、前記差圧が所定の値未満のときは流体を通過させ、前記圧力差が前記所定の値以上のときは流体の流れを遮断し、前記所定の値は可変であることを特徴とする流体搬送装置に関する。
【発明の効果】
【０００８】
上記したように、バルブと流路の間に設置する部材の厚みを変化させることでバルブの閾値を自在に調節でき、流体の制御が容易で正確になる。前記部材は、厚みの異なる複数の部材を用意しておき、必要に応じて交換することが可能である。また、前記部材の厚みを変化させるため、加圧手段を用いれば、バルブの閾値を迅速に調節することが可能である。また、バルブと流路が着脱可能な構造を用いているため、内部に異物が混入した際には、両者を取り外すことによって洗浄が可能であるという効果を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
ここで、本発明における流体とは、気体または液体を指すものとする。
（バルブの説明）
図１は、本発明の流体搬送装置に用いるバルブの構造の一例を示す概略図である。図１（ａ）にはバルブ１００の平面図、図１（ｂ）には断面図を示す。バルブ内の流路は、細い流路１０３を有する領域と、太い流路を有する領域１０４、１０５を有する領域に分けられる。遮蔽部は１０１に示す平板の形状であり、流路１０４と流路１０５の間に、バネ１０６によって弾性支持された弁体１０１が流路と垂直に設置されている。弁体１０１を形成する基板と流路１０３を形成する基板の間に部材１０７が設置されている。弁体１０１は流路１０３の入口と、ある距離を保って設置されている。弁体１０１の径は流路１０３の径よりも大きく、弁体１０１が流路１０３に向かって変位して流路１０５と流路１０３の境界に達した場合、流体の流れを防ぐことが可能である。ここで、弁体１０１が流路１０３を形成する基板と接触する領域を弁座１０６とする。
【００１０】
図２（ａ）に、このバルブに流路１０４から流路１０３の向きに流体が流れる場合の経路を示す。このような流れにおいては、流体が流路１０５を流れる間に圧力の低下を生じる。これにより、平板１０１の表面では、流路１０４側と流路１０５側で圧力差が発生する。この圧力差が駆動力となり、弁体１０１は流路１０３の入り口に向かって変位する。
【００１１】
図２（ｂ）は、流路１０４から流路１０３への流体の流れにより生じる圧力差がバルブの閉る所定の値よりも低い場合を示す。弁体１０１は、流路１０４側と流路１０５側の圧力差により変位するが、これを保持するバネ１０２の弾性による復元力により、流路１０３の入り口を塞ぐまでには至らない。従って、流体は２０１に示すように、流路１０４から１０３へ抜けていく。
【００１２】
一方、図２（ｃ）は、流路１０４から流路１０３への流体の流れにより生じる圧力差がバルブの閉じる所定の値以上である場合を示す。弁体１０１は、流路１０４側と流路１０５側の圧力差により変位し、やがて流路１０３の入口を塞ぐ。これにより流体の流れは２０２に示すように流路１０４内で止まり、弁体１０１は液体の圧力によって、流路１０３の入口をシーリングした状態で保持され続ける。前記バルブの上流側の圧力を開放することにより、弁体１０１はバネ１０２の復元力によって流路１０３の入口から離れ、元の位置に戻る。
【００１３】
バルブが駆動する圧力範囲は、バネ１０２のバネ定数、および弁体１０１と弁座１０６の距離により決定される。この内バネ定数は、バネ１０２の長さ、厚み、本数、材質により決定される。また、弁体１０１と弁座１０３の距離は、部材１０７の厚みにより決る。これらを最適化することで、必要な圧力範囲で開閉の切り替わるバルブを設計することが出来る。また、バルブが閉じた状態の時、弁体１０１は流体の圧力により保持されるため、高いシーリング効果が期待でき強度も高い。
【００１４】
部材１０７の材質としては、分析や化学反応に用いる溶液に対して耐性があり、かつ弾性変形に対して耐性を持ち、かつ他の基板と密着性の高い、例えばシリコーン等の樹脂が望ましい。バネ１０２および弁座１０１の材質としては、分析や化学反応に用い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、例えばシリコンが望ましい。シリコーン等の樹脂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よい。また流路を形成するその他の基板に関しては、前記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、シリコン等が挙げられる。
【００１５】
また、弁体の形状は、対向した開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。また、弁体を平板状にし、対向する基板との間にギャップを形成することにより、該ギャップ間を流体が流れるときに圧力低下が発生し、弁体の上下で圧力差が発生する。この圧力差により、弁体が基板方向に移動する。
【００１６】
また、本発明では平板上の弁体を板バネで弾性支持した形態を例にとり説明したが、本発明の実施形態はこれに制限されるものではない。例えば片持ち梁や両持ち梁のように、弁体の片端もしくは両端を固定することにより弾性支持しても良い。
【００１７】
流体の搬送手段にポンプを用いた場合、搬送圧力を制御するモードと、搬送流量を制御するモードで駆動する方法がある。また、バルブが閉じる所定の値は搬送圧力だけでなく搬送流量によっても決る。そこで、本発明ではバルブ前後に生じる圧力差を基にバルブが駆動する工程について説明したが、バルブ前後に流れる流量を基にバルブを駆動させても良い。
【００１８】
（バルブの閾値を変える方法）
以下に本発明の流体搬送装置の一例を説明する。
図３は、本発明の流体搬送装置の実施形態の一例を示す概念図である。流体搬送装置３００は、バネ１０２と弁体１０１を形成する基板３０１と、基板３０２と、流路１０３を形成する基板３０３より構成されている。
【００１９】
図３（ａ）に示すように、基板３０１と基板３０３は基板３０１におけるバネ１０２と弁体１０１が形成された面と、弁座１０６が形成されている面は基板３０２を介して圧着される。この際、基板３０１における弁体１０１の中心と、基板３０３における流路１０３の中心が一致するような状態で、２枚の基板は位置決めされる。基板３０２にＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などの粘着性の高いシリコ−ン樹脂を用い、基板３０１および基板３０３に平坦度の高いシリコン基板を用いれば、特に物理的な固定を行わずとも、両者の間で十分な密着力を得ることができる。基板３０２は弁体と弁座の距離を決めるだけでなく、一種のパッキンとして機能することになる。さらに、ホルダ３０５を用いて、基板３０１、３０２、３０３を挟み込むことで固定する。ホルダ３０５はスペーサ３０４を介し、ねじ３０６によって固定されている。基板３０１と基板３０３の圧着力は、このスペーサ３０４の厚みによって調整することが可能である。この場合、単純に密着させただけの場合と比較して、高圧力下においても両基板の間から漏れが生じることはない。
【００２０】
両基板の位置決めを繰り返し、高精度で行うために、両基板にはアライメントマークが設置してある。また、少なくとも一方の基板、もしくはホルダにガイドを形成しておくことによっても、高精度な位置決めを繰り返し行うことができる。
【００２１】
スペーサ３０４の材質としては、剛性が高く、かつ高い精度で加工できる材料であれば特に制限はない。例えば、シリコン、ガラス等が挙げられる。
基板３０１と基板３０３は特に接合されているわけではないので、自由に脱着することが可能な構造となっている。なお、基板３０２の材質はシリコーン樹脂に限定されない。基板３０１と基板３０３と密着性が良く、かつ脱着が可能な材料ならばどのようなものを用いても構わない。
【００２２】
以下に、図３（ｂ）を用いて基板を交換することによりバルブの閾値を変える方法について説明する。
まず、基板３０１と基板３０３は基板３０２を境にして分離する。厚みが異なる基板３０７を基板３０２の代わりに設置する。これにより、基板３０２に比べて、弁体１０１と弁座１０６との距離が変わるため、バルブが駆動する圧力範囲が変化する。
【００２３】
次に、バルブ基板を加圧することにより閾値を変える方法について説明する。
図３（ｃ）に示すように、流体搬送装置３００は、加圧手段３０８を備えている。
加圧によりバルブの閾値を変える方法について説明する。
【００２４】
基板３０１および基板３０３の両基板から加圧手段３０８を用いて基板３０２を圧縮する。これにより、基板３０２が変形し、基板３０１と基板３０３の距離が変化する。よって、弁体１０１と弁座１０６との距離が変化し、バルブが駆動する圧力範囲が変化する。なお、基板３０２を加圧する圧力範囲は、基板３０２の弾性限界の範囲内であればよい。
【００２５】
本発明の流体搬送装置は、弁体を形成する基板と弁座を形成する基板を分離できることから、両基板に混入した異物を容易に取り除くことができる。
また、加圧手段は、基板３０１と基板３０３を均一に圧縮することができれば、特に制限はない。ホルダ３０５、ねじ３０６、スペーサ３０４を用いて基板を圧縮する方法が挙げられる。また、加圧手段として圧電素子を用いることも可能である。圧電素子に印加する電圧を変化させることにより、圧電素子の厚みを変え、基板３０２の厚みを変化させる。これにより、弁体と弁体の距離が変化し、閾値を変えることが可能である。
【００２６】
本発明では、ローパスバルブとして用いることを説明したが、本発明はこれに限定されない。弁体を形成する基板と弁座を形成する基板の間に設ける基板の厚さを十分に小さくした場合、ハイパスバルブ（一方向バルブ）としても用いることが可能である。
【実施例１】
【００２７】
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、材質、作製プロセス条件は一例であり、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。
【００２８】
本実施例では、バルブを構成する基板の厚みを変更することによりバルブの閾値を可変とする液体搬送装置の実際の作製例を示す。
図４に図１の液体搬送装置の具体的な作製例を示す。前記液体搬送装置は図４（ｂ）に示すように、バルブの可動部である弁体１０１を構成する基板４０１、該弁体と該弁体が流路を塞ぐ部分である弁座との距離を決める基板４０２、該弁座を形成した基板４０３、バルブと次のプロセスを接続する流路を形成した基板４０４からなる。図４（ａ）は、図１に示される流路が形成される基板４０１の平面図を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）中のＢ−Ｂ’間の断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ’断面図を示す。
【００２９】
図４（ｂ）により、液体が流路１０４からバルブ内、そして流路１０５を通過して出口４０６に抜けるまでの具体的な経路を示す。不図示のポンプより、液体は基板４０１内に形成されたバルブ内流路のうち、太い流路を有する領域１０４に注入される。基板４０１内に形成された弁体１０１は、液体の圧力およびバネ１０２のバネ定数により決定される量の変位を受け、弁体１０１が基板４０３内の細い流路を有する領域１０３の入口を塞ぐ。これにより、液体は基板４０１内の太い流路を有する領域１０４内で止まり、それ以上流路１０３へは流れていかない。一方、弁体１０１が流路１０３の入り口を塞ぐに至らなかった場合、液体は流路１０５、流路１０３、１０４を通過し、基板４０１内に形成された流路４０５を通過し、出口４０６に搬送される。
【００３０】
各部の寸法の例を以下に説明する。基板４０３、４０４の厚みは２００〜５００μｍである。基板４０２の厚みは２０μｍである。基板４０１はＳＯＩ基板を用いており、シリコン／シリコン酸化膜／シリコンの厚みが５μｍ／１μｍ／２００〜５００μｍとなっている。基板４０３に形成される流路１０３、４０５（スルーホール）は直径１００μｍである。バルブ内の太い流路で形成される領域１０４は、直径３００μｍである。バルブを形成する弁体１０１は直径２００μｍ、厚み５μｍで、バネ１０２は長さ５０〜３００μｍ、厚み５μｍ、幅２０〜４０μｍである。流路１０５の長さ、すなわち変位のない状態の弁体１０１と流路１０３の距離は２０μｍである。
【００３１】
次に、本実施例の流体搬送装置の作製方法を説明する。
基板４０３、基板４０４はシリコンを用い、基板４０１と共にフォトリソグラフィ法とＳＦ6 ガスとＣ4 Ｆ8 ガスのプラズマによるドライエッチングの組み合わせにて作製する。基板４０３、基板４０４は熱融着法により接合する。
【００３２】
基板４０２はレジストＳＵ−８（ＭＩＣＲＯＣＨＥＭ社製）を用い、基板４０１の弁体１０１が形成された面にフォトリソグラフィ法により作製される。
以上の方法で作製された基板４０１、基板４０２、基板４０３および基板４０４は圧着して固定する。
【００３３】
次に、本発明の液体搬送装置の分離について説明する。
図４（ｃ）は液体搬送装置４００の使用状態を示している。これに対し、図４（ｄ）は液体搬送装置４００の分離された状態を示している。基板４０１と基板４０３、４０４は基板４０２を介して分離される。これにより、弁体１０１と弁座１０６の間に混入する異物を除去することが可能である。
【実施例２】
【００３４】
次に、図４で説明した液体搬送装置を利用して、基板の厚みに基づきバルブの閾値を制御する実施例について説明する。図５にその概略図を示す。
図５の液体搬送装置は、バルブ基板４００、固定部材５０１、固定用ねじ５０２、スペーサ５０３より構成されている。図５（ｂ）、（ｃ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ’線断面図を示す。
【００３５】
バルブ基板について図５（ｂ）を用いて説明する。バルブ基板の各厚みは、基板４０１が５０６μｍ、基板４０２が２０μｍ、基板４０３が２００μｍ、基板４０４が２００μｍであり、全体で９２６μｍである。一方、スペーサ５０３の厚みは９２０μｍである。固定部材５０１により、基板４０１、基板４０２、基板４０３は圧着固定されている。
【００３６】
図５（ｂ）の状態について、不図示のポンプにより液体を搬送する。バルブ前後に３２０ｋＰａの差圧を生じるように液体を搬送した場合、バルブが閉状態になることを確認できる。
【００３７】
次に、図５（ｃ）は基板４０２の厚みが変化した状態を示す。以下に、基板の交換について説明する。
まず、厚さ９１０μｍのスペーサ５０４．をスペーサ５０３の代わりに設置する。これにより、スペーサの厚さが１０μｍ薄くなる。固定用ねじ５０２を締めることにより、基板４０２は圧縮される。これにより、基板４０２は変形し、弁体１０１は弁座１０６の方向に変位する。
【００３８】
図５（ｃ）の状態において不図示のポンプより液体を搬送する。バルブ前後に１６０ｋＰａの差圧が生じるように液体を搬送した場合、バルブが閉状態になることを確認できる。
【００３９】
以上のように、スペーサの厚みを調節しバルブ基板を圧縮することにより、弁体と弁座の距離を変化させ、バルブの閾値を変更することが可能である。
【実施例３】
【００４０】
次に、図５で説明した液体搬送装置を利用し、印加電圧に基づきバルブの閾値を制御する実施例について説明する。図６にその概略図を示す。
図６（ａ）の液体搬送装置は、バルブ基板４００、固定部材５０１、固定用ねじ５０２、スペーサ６０２、圧電素子６０１で構成されている。圧電素子６０１はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用い、圧電素子６０１は不図示の電極シート、および不図示の電源部に接続されている。
【００４１】
バルブ基板の厚みは、基板４０１が５０６μｍ、基板４０２が２０μｍ、基板４０３が２００μｍ、基板４０３が２００μｍであり、全体で９２６μｍである。また、圧電素子６０１の厚みは、５ｍｍである。バルブ基板４００と圧電素子６０１の厚みを合わせると、５９２６μｍである。一方、スペーサ６０２の厚みは５９２０μｍである。スペーサ６０３および固定部材５０１により、バルブ基板４００は圧着固定されている。
【００４２】
図６（ａ）は、圧電素子６０１に電圧を印加する前の状態である。不図示のポンプよりバルブ基板に液体を搬送する。バルブ前後に２４０ｋＰａの差圧を生じるように液体を搬送すると、バルブが閉状態になることを確認できる。
【００４３】
図６（ｂ）は、圧電素子６０１に１００ＶＤＣ印加した状態である。圧電素子はバルブ基板の厚み方向に１０μｍ変位する。スペーサ６０２の厚みは一定であることから、基板４０２が圧縮される。これにより、基板４０３は基板４０１の方向へ変位し、弁体１０１と弁座１０６の距離は電圧印加前に比べて短くなる。
【００４４】
圧電素子６０１に電圧を印加した状態において、不図示のポンプよりバルブ基板４００に液体を搬送する。バルブ前後に１２０ｋＰａの差圧が生じるように液体を搬送した場合、バルブが閉状態になることを確認できる。
【００４５】
以上のように、圧電素子を加圧手段として用い、印加電圧に応じてバルブ基板を圧縮し、弁体と弁座の距離を変化させることにより、バルブの閾値を変更することが可能である。
この場合、基板４０２を厚みの異なる基板と交換する手間が省ける。これにより、バルブの閾値を迅速に調節することが可能である。
【実施例４】
【００４６】
次に、図６の液体搬送装置を利用し、ＨＰＬＣ（ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）により分離分析する実施例について説明する。
【００４７】
図７に分析装置の概念図を示す。分析システム７００は一定量のサンプルを切り取り、分離分析する装置である。以下に、装置の構成について説明する。
分析システム７００は、サンプルと移動相が通る流路７０５、７０６、７０７、７０８、７０９を有し、流路７０８の途中にバルブ７０１、流路７０９の途中にバルブ７０２を有する。流路７０８はサンプルを搬送するためのポンプ７０３に接続されている。また、流路７０５は移動相を搬送するためのポンプ７１０に接続されている。流路７０７は外部検出装置であるＨＰＬＣカラム７１１に接続されている。流路７０９はサンプルと移動相の廃液部７０４に接続されている。
【００４８】
バルブ７０１、７０２に図６に示すバルブ基板を使用する。また、前記流路を形成する基板はバルブ基板と積層され、固定部材により固定されている（図示しない）。さらに、バルブ基板加圧するための圧電素子を備えている（図示しない）。バルブ７０１、７０２は流路７０６からポンプ７０３、廃液部７０４の方向に液体が流れる場合に閉るよう設置されている。分析システム７００はポンプの流量制御モードを用いる。水を流した場合、バルブ７０１、７０２の閾値となる流量は５μｌ／ｍｉｎである。
【００４９】
分析対象サンプル溶液としては、サンプル７１２として、エチルベンゼンを質量８０％のメタノール水溶液（粘性率１．０ｃＰ／２５℃）に溶解させたものを使用する。また、サンプル７１３として、質量５０％のグリセリン水溶液（粘性率９．０１ｃＰ／１０℃）を使用する。また、移動相溶液として、１００ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ＝７．０；ＫＨ2 ＰＯ4 −Ｎａ2 ＨＰＯ4 ）とメタノールを７５：２５に混合した溶液を用意する。
【００５０】
サンプル７１２について分析の工程を示す。まず、移動相溶液を装置７００内部の全ての流路中に満たす（図示しない）。次に図７（ｂ）に示すように、ポンプ７０３によりサンプル７１２は流路７０８、７０６、７０９を通過して廃液部７０４に搬送される。このとき、流量１μｌ／ｍｉｎでサンプルを搬送する。ここで、サンプル７１２はバルブ７０１を順方向に流れるため、バルブ７０１は開状態である。また、バルブ７０２は逆方向にサンプルが流れるが、バルブ７０２の閾値未満であるため、バルブ７０２も開状態である。これにより、予め満たされた移動相溶液とサンプル７１２は廃液部７０４に排出される。
【００５１】
次に、図７（ｃ）に示すように、ポンプ７１０により移動相を流路７０５、７０６、７０７の順に搬送する。このとき、流量１０μｌ／ｍｉｎで移動相溶液を搬送する。バルブ７０１、７０２は閾値以上でサンプルが搬送されるため閉状態になる。これにより、流路７０６中のサンプル７１２はバルブ７０１、７０２の方向に流れない。よって、流路７０６中のサンプル７１２のみＨＰＬＣカラム７１１に導入される。
【００５２】
サンプル７１３について分析の工程を示す。まず、流路７０８、７０６、７０９にサンプル７１３を注入する工程について説明する。ここで、サンプル７１２と同様の条件で搬送すると、バルブ７０２は閉状態になる。その理由として、サンプル７１３はサンプル７１２に比べて粘度が高く、サンプル７１３を通過させることでないためである。これにより、サンプル中に移動相溶液が混在するなどの問題が生じる。ここで、搬送流量を十分に少なくする方法があるが、ポンプ７０３から廃液部７０４まで搬送するのに非常に時間がかかる。そこで、図６に示す圧電素子６０１により、基板４０２の厚みを５μｍから２０μｍに変化させ、弁体１０１と弁座１０６の距離を長くする。これにより、サンプル７１３は流量１μｌ／ｍｉｎでサンプルを搬送することが可能となる。
【００５３】
次に、サンプル７１２と同様に、ポンプ７１０により移動相溶液を搬送することにより、流路７０６中のサンプル７１３はＨＰＬＣカラム７１１に導入される。
ＨＰＬＣカラム７１１は、ＯＤＳ（オクタデシル化シリカ）カラムを用いた逆相クロマトグラフィであり、紫外吸光検出器によって、分離された各成分の検出を行う。その結果、エチルベンゼン、グリセリンの明瞭な出力信号ピークを得ることができる。
【００５４】
以上のように、本発明の流体搬送装置を用いることにより、搬送する液体の粘度に制限されない分析システムが実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の流体搬送装置は、所定の圧力差（閾値）に応じて閉じるバルブの閾値を制御する方法として、弁体と弁座の距離を決める基板の厚みを変更するする方法を用いているので、閾値の異なるバルブを幾つも作製することなく、流体の搬送を正確に行うことができる。また、バルブと流路の間を分離できることから混入した異物を除去することができるので、特にチップ上で化学分析や化学合成を行う小型分析システム（μ―ＴＡＳ）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搬送装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の流体搬送装置のバルブの実施形態の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の流体搬送装置のバルブが駆動する工程を示す概略図である。
【図３】本発明の流体搬送方法の一実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明の流体搬送方法の一実施形態を示す概略図である。
【図５】本発明の流体搬送方法の一実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明の流体搬送方法の一実施形態を示す概略図である。
【図７】本発明の流体搬送装置を分析システムに用いた実施形態を示す概略図である。
【図８】従来のバルブの構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１００ バルブ
１０１ 弁体
１０２ バネ
１０３、１０４、１０５、７０５、７０６、７０７、７０８、７０９ 流路
１０６ 弁座
１０７ 部材
２０１、２０２ 流体の流れ
３００、４００ バルブ基板
３０１、３０２、３０３、３０７、４０１、４０２、４０３、４０４ 基板
３０４、５０３、５０４、６０２ スペーサ
３０５、５０１ 固定部材
３０６、５０２ 固定用ねじ
３０８ 加圧手段
４０５ 流路（スルーホール）
４０６ 出口
６０１ 圧電素子
７００ 分析システム
７０１、７０２ バルブ
７０３、７１０ ポンプ
７０４ 廃液部
７１１ ＨＰＬＣカラム
７１２ サンプル
【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搬送方法に関し、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 ＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓ 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搬送装置に関する。
【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。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】
上述したμ−ＴＡＳにおいて、微小流路内の流体の流れを制御するのに、様々な形態のバルブがこれまでに提案されている。従来技術のバルブには、板状の部材を弾性的に支持したバルブが報告されている（特許文献１参照）。
【０００４】
以下、図８により従来のバルブについて説明する。図８（ａ）は所定の液圧になると閉じる弁（ローパスバルブ）の平面図である。図８のバルブは、弁座体８０１を有しており、弁座体８０１は弁本体内に固定されている。弁座体８０１の中心には図８（ｂ）に示すような流路８０２が形成されており、この流路８０２の入口側には変形可能な弾性部材からなる弁体８０３が取り付けられている。弁体８０３は常時は図８（ｂ）に示すように流路８０２を開いているが、流路中に流れる流体圧がある所定の流体圧（以下、閾値という）以上になると、図８（ｃ）に示すように弁体８０３が上方に変形し、弁座体８０１に形成した流路８０２を閉じる。この結果、前記バルブは所定の流体圧になると流路が閉じ、流体が流出することを止める。
【特許文献１】特開２００１−７０４５３号公報
【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、従来のバルブは、一旦製作すると流路寸法や弁体の形状を変更することができないため、閾値を変更することができない。また、バルブを構成する基板が強固に接合されているため、作製後に基板を分離することができない。このため、弁体と弁座の間に異物が混入した場合、その異物を取り除くことが非常に困難である。
【０００６】
したがって、本発明の課題は、バルブの閉じる閾値を任意に変更可能とする流体搬送装置を提供することである。さらに、バルブと流路を分解可能とする流体搬送装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明は、流体を流すための流路と、前記流路の途中に位置し前記流体の流れを制御するためのバルブとを備えた流体搬送装置であって、前記バルブは前記流路に流体が流れたときに前記流路の上流側と下流側との間に生じる圧力差によって作動し、前記差圧が所定の値未満のときは流体を通過させ、前記圧力差が前記所定の値以上のときは流体の流れを遮断し、前記所定の値は可変であることを特徴とする流体搬送装置に関する。
【発明の効果】
【０００８】
上記したように、バルブと流路の間に設置する部材の厚みを変化させることでバルブの閾値を自在に調節でき、流体の制御が容易で正確になる。前記部材は、厚みの異なる複数の部材を用意しておき、必要に応じて交換することが可能である。また、前記部材の厚みを変化させるため、加圧手段を用いれば、バルブの閾値を迅速に調節することが可能である。また、バルブと流路が着脱可能な構造を用いているため、内部に異物が混入した際には、両者を取り外すことによって洗浄が可能であるという効果を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
ここで、本発明における流体とは、気体または液体を指すものとする。
（バルブの説明）
図１は、本発明の流体搬送装置に用いるバルブの構造の一例を示す概略図である。図１（ａ）にはバルブ１００の平面図、図１（ｂ）には断面図を示す。バルブ内の流路は、細い流路１０３を有する領域と、太い流路を有する領域１０４、１０５を有する領域に分けられる。遮蔽部は１０１に示す平板の形状であり、流路１０４と流路１０５の間に、バネ１０６によって弾性支持された弁体１０１が流路と垂直に設置されている。弁体１０１を形成する基板と流路１０３を形成する基板の間に部材１０７が設置されている。弁体１０１は流路１０３の入口と、ある距離を保って設置されている。弁体１０１の径は流路１０３の径よりも大きく、弁体１０１が流路１０３に向かって変位して流路１０５と流路１０３の境界に達した場合、流体の流れを防ぐことが可能である。ここで、弁体１０１が流路１０３を形成する基板と接触する領域を弁座１０６とする。
【００１０】
図２（ａ）に、このバルブに流路１０４から流路１０３の向きに流体が流れる場合の経路を示す。このような流れにおいては、流体が流路１０５を流れる間に圧力の低下を生じる。これにより、平板１０１の表面では、流路１０４側と流路１０５側で圧力差が発生する。この圧力差が駆動力となり、弁体１０１は流路１０３の入り口に向かって変位する。
【００１１】
図２（ｂ）は、流路１０４から流路１０３への流体の流れにより生じる圧力差がバルブの閉る所定の値よりも低い場合を示す。弁体１０１は、流路１０４側と流路１０５側の圧力差により変位するが、これを保持するバネ１０２の弾性による復元力により、流路１０３の入り口を塞ぐまでには至らない。従って、流体は２０１に示すように、流路１０４から１０３へ抜けていく。
【００１２】
一方、図２（ｃ）は、流路１０４から流路１０３への流体の流れにより生じる圧力差がバルブの閉じる所定の値以上である場合を示す。弁体１０１は、流路１０４側と流路１０５側の圧力差により変位し、やがて流路１０３の入口を塞ぐ。これにより流体の流れは２０２に示すように流路１０４内で止まり、弁体１０１は液体の圧力によって、流路１０３の入口をシーリングした状態で保持され続ける。前記バルブの上流側の圧力を開放することにより、弁体１０１はバネ１０２の復元力によって流路１０３の入口から離れ、元の位置に戻る。
【００１３】
バルブが駆動する圧力範囲は、バネ１０２のバネ定数、および弁体１０１と弁座１０６の距離により決定される。この内バネ定数は、バネ１０２の長さ、厚み、本数、材質により決定される。また、弁体１０１と弁座１０３の距離は、部材１０７の厚みにより決る。これらを最適化することで、必要な圧力範囲で開閉の切り替わるバルブを設計することが出来る。また、バルブが閉じた状態の時、弁体１０１は流体の圧力により保持されるため、高いシーリング効果が期待でき強度も高い。
【００１４】
部材１０７の材質としては、分析や化学反応に用いる溶液に対して耐性があり、かつ弾性変形に対して耐性を持ち、かつ他の基板と密着性の高い、例えばシリコーン等の樹脂が望ましい。バネ１０２および弁座１０１の材質としては、分析や化学反応に用い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、例えばシリコンが望ましい。シリコーン等の樹脂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よい。また流路を形成するその他の基板に関しては、前記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、シリコン等が挙げられる。
【００１５】
また、弁体の形状は、対向した開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。また、弁体を平板状にし、対向する基板との間にギャップを形成することにより、該ギャップ間を流体が流れるときに圧力低下が発生し、弁体の上下で圧力差が発生する。この圧力差により、弁体が基板方向に移動する。
【００１６】
また、本発明では平板上の弁体を板バネで弾性支持した形態を例にとり説明したが、本発明の実施形態はこれに制限されるものではない。例えば片持ち梁や両持ち梁のように、弁体の片端もしくは両端を固定することにより弾性支持しても良い。
【００１７】
流体の搬送手段にポンプを用いた場合、搬送圧力を制御するモードと、搬送流量を制御するモードで駆動する方法がある。また、バルブが閉じる所定の値は搬送圧力だけでなく搬送流量によっても決る。そこで、本発明ではバルブ前後に生じる圧力差を基にバルブが駆動する工程について説明したが、バルブ前後に流れる流量を基にバルブを駆動させても良い。
【００１８】
（バルブの閾値を変える方法）
以下に本発明の流体搬送装置の一例を説明する。
図３は、本発明の流体搬送装置の実施形態の一例を示す概念図である。流体搬送装置３００は、バネ１０２と弁体１０１を形成する基板３０１と、基板３０２と、流路１０３を形成する基板３０３より構成されている。
【００１９】
図３（ａ）に示すように、基板３０１と基板３０３は基板３０１におけるバネ１０２と弁体１０１が形成された面と、弁座１０６が形成されている面は基板３０２を介して圧着される。この際、基板３０１における弁体１０１の中心と、基板３０３における流路１０３の中心が一致するような状態で、２枚の基板は位置決めされる。基板３０２にＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などの粘着性の高いシリコ−ン樹脂を用い、基板３０１および基板３０３に平坦度の高いシリコン基板を用いれば、特に物理的な固定を行わずとも、両者の間で十分な密着力を得ることができる。基板３０２は弁体と弁座の距離を決めるだけでなく、一種のパッキンとして機能することになる。さらに、ホルダ３０５を用いて、基板３０１、３０２、３０３を挟み込むことで固定する。ホルダ３０５はスペーサ３０４を介し、ねじ３０６によって固定されている。基板３０１と基板３０３の圧着力は、このスペーサ３０４の厚みによって調整することが可能である。この場合、単純に密着させただけの場合と比較して、高圧力下においても両基板の間から漏れが生じることはない。
【００２０】
両基板の位置決めを繰り返し、高精度で行うために、両基板にはアライメントマークが設置してある。また、少なくとも一方の基板、もしくはホルダにガイドを形成しておくことによっても、高精度な位置決めを繰り返し行うことができる。
【００２１】
スペーサ３０４の材質としては、剛性が高く、かつ高い精度で加工できる材料であれば特に制限はない。例えば、シリコン、ガラス等が挙げられる。
基板３０１と基板３０３は特に接合されているわけではないので、自由に脱着することが可能な構造となっている。なお、基板３０２の材質はシリコーン樹脂に限定されない。基板３０１と基板３０３と密着性が良く、かつ脱着が可能な材料ならばどのようなものを用いても構わない。
【００２２】
以下に、図３（ｂ）を用いて基板を交換することによりバルブの閾値を変える方法について説明する。
まず、基板３０１と基板３０３は基板３０２を境にして分離する。厚みが異なる基板３０７を基板３０２の代わりに設置する。これにより、基板３０２に比べて、弁体１０１と弁座１０６との距離が変わるため、バルブが駆動する圧力範囲が変化する。
【００２３】
次に、バルブ基板を加圧することにより閾値を変える方法について説明する。
図３（ｃ）に示すように、流体搬送装置３００は、加圧手段３０８を備えている。
加圧によりバルブの閾値を変える方法について説明する。
【００２４】
基板３０１および基板３０３の両基板から加圧手段３０８を用いて基板３０２を圧縮する。これにより、基板３０２が変形し、基板３０１と基板３０３の距離が変化する。よって、弁体１０１と弁座１０６との距離が変化し、バルブが駆動する圧力範囲が変化する。なお、基板３０２を加圧する圧力範囲は、基板３０２の弾性限界の範囲内であればよい。
【００２５】
本発明の流体搬送装置は、弁体を形成する基板と弁座を形成する基板を分離できることから、両基板に混入した異物を容易に取り除くことができる。
また、加圧手段は、基板３０１と基板３０３を均一に圧縮することができれば、特に制限はない。ホルダ３０５、ねじ３０６、スペーサ３０４を用いて基板を圧縮する方法が挙げられる。また、加圧手段として圧電素子を用いることも可能である。圧電素子に印加する電圧を変化させることにより、圧電素子の厚みを変え、基板３０２の厚みを変化させる。これにより、弁体と弁体の距離が変化し、閾値を変えることが可能である。
【００２６】
本発明では、ローパスバルブとして用いることを説明したが、本発明はこれに限定されない。弁体を形成する基板と弁座を形成する基板の間に設ける基板の厚さを十分に小さくした場合、ハイパスバルブ（一方向バルブ）としても用いることが可能である。
【実施例１】
【００２７】
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、材質、作製プロセス条件は一例であり、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。
【００２８】
本実施例では、バルブを構成する基板の厚みを変更することによりバルブの閾値を可変とする液体搬送装置の実際の作製例を示す。
図４に図１の液体搬送装置の具体的な作製例を示す。前記液体搬送装置は図４（ｂ）に示すように、バルブの可動部である弁体１０１を構成する基板４０１、該弁体と該弁体が流路を塞ぐ部分である弁座との距離を決める基板４０２、該弁座を形成した基板４０３、バルブと次のプロセスを接続する流路を形成した基板４０４からなる。図４（ａ）は、図１に示される流路が形成される基板４０１の平面図を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）中のＢ−Ｂ’間の断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ’断面図を示す。
【００２９】
図４（ｂ）により、液体が流路１０４からバルブ内、そして流路１０５を通過して出口４０６に抜けるまでの具体的な経路を示す。不図示のポンプより、液体は基板４０１内に形成されたバルブ内流路のうち、太い流路を有する領域１０４に注入される。基板４０１内に形成された弁体１０１は、液体の圧力およびバネ１０２のバネ定数により決定される量の変位を受け、弁体１０１が基板４０３内の細い流路を有する領域１０３の入口を塞ぐ。これにより、液体は基板４０１内の太い流路を有する領域１０４内で止まり、それ以上流路１０３へは流れていかない。一方、弁体１０１が流路１０３の入り口を塞ぐに至らなかった場合、液体は流路１０５、流路１０３、１０４を通過し、基板４０１内に形成された流路４０５を通過し、出口４０６に搬送される。
【００３０】
各部の寸法の例を以下に説明する。基板４０３、４０４の厚みは２００〜５００μｍである。基板４０２の厚みは２０μｍである。基板４０１はＳＯＩ基板を用いており、シリコン／シリコン酸化膜／シリコンの厚みが５μｍ／１μｍ／２００〜５００μｍとなっている。基板４０３に形成される流路１０３、４０５（スルーホール）は直径１００μｍである。バルブ内の太い流路で形成される領域１０４は、直径３００μｍである。バルブを形成する弁体１０１は直径２００μｍ、厚み５μｍで、バネ１０２は長さ５０〜３００μｍ、厚み５μｍ、幅２０〜４０μｍである。流路１０５の長さ、すなわち変位のない状態の弁体１０１と流路１０３の距離は２０μｍである。
【００３１】
次に、本実施例の流体搬送装置の作製方法を説明する。
基板４０３、基板４０４はシリコンを用い、基板４０１と共にフォトリソグラフィ法とＳＦ6 ガスとＣ4 Ｆ8 ガスのプラズマによるドライエッチングの組み合わせにて作製する。基板４０３、基板４０４は熱融着法により接合する。
【００３２】
基板４０２はレジストＳＵ−８（ＭＩＣＲＯＣＨＥＭ社製）を用い、基板４０１の弁体１０１が形成された面にフォトリソグラフィ法により作製される。
以上の方法で作製された基板４０１、基板４０２、基板４０３および基板４０４は圧着して固定する。
【００３３】
次に、本発明の液体搬送装置の分離について説明する。
図４（ｃ）は液体搬送装置４００の使用状態を示している。これに対し、図４（ｄ）は液体搬送装置４００の分離された状態を示している。基板４０１と基板４０３、４０４は基板４０２を介して分離される。これにより、弁体１０１と弁座１０６の間に混入する異物を除去することが可能である。
【実施例２】
【００３４】
次に、図４で説明した液体搬送装置を利用して、基板の厚みに基づきバルブの閾値を制御する実施例について説明する。図５にその概略図を示す。
図５の液体搬送装置は、バルブ基板４００、固定部材５０１、固定用ねじ５０２、スペーサ５０３より構成されている。図５（ｂ）、（ｃ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ’線断面図を示す。
【００３５】
バルブ基板について図５（ｂ）を用いて説明する。バルブ基板の各厚みは、基板４０１が５０６μｍ、基板４０２が２０μｍ、基板４０３が２００μｍ、基板４０４が２００μｍであり、全体で９２６μｍである。一方、スペーサ５０３の厚みは９２０μｍである。固定部材５０１により、基板４０１、基板４０２、基板４０３は圧着固定されている。
【００３６】
図５（ｂ）の状態について、不図示のポンプにより液体を搬送する。バルブ前後に３２０ｋＰａの差圧を生じるように液体を搬送した場合、バルブが閉状態になることを確認できる。
【００３７】
次に、図５（ｃ）は基板４０２の厚みが変化した状態を示す。以下に、基板の交換について説明する。
まず、厚さ９１０μｍのスペーサ５０４．をスペーサ５０３の代わりに設置する。これにより、スペーサの厚さが１０μｍ薄くなる。固定用ねじ５０２を締めることにより、基板４０２は圧縮される。これにより、基板４０２は変形し、弁体１０１は弁座１０６の方向に変位する。
【００３８】
図５（ｃ）の状態において不図示のポンプより液体を搬送する。バルブ前後に１６０ｋＰａの差圧が生じるように液体を搬送した場合、バルブが閉状態になることを確認できる。
【００３９】
以上のように、スペーサの厚みを調節しバルブ基板を圧縮することにより、弁体と弁座の距離を変化させ、バルブの閾値を変更することが可能である。
【実施例３】
【００４０】
次に、図５で説明した液体搬送装置を利用し、印加電圧に基づきバルブの閾値を制御する実施例について説明する。図６にその概略図を示す。
図６（ａ）の液体搬送装置は、バルブ基板４００、固定部材５０１、固定用ねじ５０２、スペーサ６０２、圧電素子６０１で構成されている。圧電素子６０１はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用い、圧電素子６０１は不図示の電極シート、および不図示の電源部に接続されている。
【００４１】
バルブ基板の厚みは、基板４０１が５０６μｍ、基板４０２が２０μｍ、基板４０３が２００μｍ、基板４０３が２００μｍであり、全体で９２６μｍである。また、圧電素子６０１の厚みは、５ｍｍである。バルブ基板４００と圧電素子６０１の厚みを合わせると、５９２６μｍである。一方、スペーサ６０２の厚みは５９２０μｍである。スペーサ６０３および固定部材５０１により、バルブ基板４００は圧着固定されている。
【００４２】
図６（ａ）は、圧電素子６０１に電圧を印加する前の状態である。不図示のポンプよりバルブ基板に液体を搬送する。バルブ前後に２４０ｋＰａの差圧を生じるように液体を搬送すると、バルブが閉状態になることを確認できる。
【００４３】
図６（ｂ）は、圧電素子６０１に１００ＶＤＣ印加した状態である。圧電素子はバルブ基板の厚み方向に１０μｍ変位する。スペーサ６０２の厚みは一定であることから、基板４０２が圧縮される。これにより、基板４０３は基板４０１の方向へ変位し、弁体１０１と弁座１０６の距離は電圧印加前に比べて短くなる。
【００４４】
圧電素子６０１に電圧を印加した状態において、不図示のポンプよりバルブ基板４００に液体を搬送する。バルブ前後に１２０ｋＰａの差圧が生じるように液体を搬送した場合、バルブが閉状態になることを確認できる。
【００４５】
以上のように、圧電素子を加圧手段として用い、印加電圧に応じてバルブ基板を圧縮し、弁体と弁座の距離を変化させることにより、バルブの閾値を変更することが可能である。
この場合、基板４０２を厚みの異なる基板と交換する手間が省ける。これにより、バルブの閾値を迅速に調節することが可能である。
【実施例４】
【００４６】
次に、図６の液体搬送装置を利用し、ＨＰＬＣ（ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）により分離分析する実施例について説明する。
【００４７】
図７に分析装置の概念図を示す。分析システム７００は一定量のサンプルを切り取り、分離分析する装置である。以下に、装置の構成について説明する。
分析システム７００は、サンプルと移動相が通る流路７０５、７０６、７０７、７０８、７０９を有し、流路７０８の途中にバルブ７０１、流路７０９の途中にバルブ７０２を有する。流路７０８はサンプルを搬送するためのポンプ７０３に接続されている。また、流路７０５は移動相を搬送するためのポンプ７１０に接続されている。流路７０７は外部検出装置であるＨＰＬＣカラム７１１に接続されている。流路７０９はサンプルと移動相の廃液部７０４に接続されている。
【００４８】
バルブ７０１、７０２に図６に示すバルブ基板を使用する。また、前記流路を形成する基板はバルブ基板と積層され、固定部材により固定されている（図示しない）。さらに、バルブ基板加圧するための圧電素子を備えている（図示しない）。バルブ７０１、７０２は流路７０６からポンプ７０３、廃液部７０４の方向に液体が流れる場合に閉るよう設置されている。分析システム７００はポンプの流量制御モードを用いる。水を流した場合、バルブ７０１、７０２の閾値となる流量は５μｌ／ｍｉｎである。
【００４９】
分析対象サンプル溶液としては、サンプル７１２として、エチルベンゼンを質量８０％のメタノール水溶液（粘性率１．０ｃＰ／２５℃）に溶解させたものを使用する。また、サンプル７１３として、質量５０％のグリセリン水溶液（粘性率９．０１ｃＰ／１０℃）を使用する。また、移動相溶液として、１００ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ＝７．０；ＫＨ2 ＰＯ4 −Ｎａ2 ＨＰＯ4 ）とメタノールを７５：２５に混合した溶液を用意する。
【００５０】
サンプル７１２について分析の工程を示す。まず、移動相溶液を装置７００内部の全ての流路中に満たす（図示しない）。次に図７（ｂ）に示すように、ポンプ７０３によりサンプル７１２は流路７０８、７０６、７０９を通過して廃液部７０４に搬送される。このとき、流量１μｌ／ｍｉｎでサンプルを搬送する。ここで、サンプル７１２はバルブ７０１を順方向に流れるため、バルブ７０１は開状態である。また、バルブ７０２は逆方向にサンプルが流れるが、バルブ７０２の閾値未満であるため、バルブ７０２も開状態である。これにより、予め満たされた移動相溶液とサンプル７１２は廃液部７０４に排出される。
【００５１】
次に、図７（ｃ）に示すように、ポンプ７１０により移動相を流路７０５、７０６、７０７の順に搬送する。このとき、流量１０μｌ／ｍｉｎで移動相溶液を搬送する。バルブ７０１、７０２は閾値以上でサンプルが搬送されるため閉状態になる。これにより、流路７０６中のサンプル７１２はバルブ７０１、７０２の方向に流れない。よって、流路７０６中のサンプル７１２のみＨＰＬＣカラム７１１に導入される。
【００５２】
サンプル７１３について分析の工程を示す。まず、流路７０８、７０６、７０９にサンプル７１３を注入する工程について説明する。ここで、サンプル７１２と同様の条件で搬送すると、バルブ７０２は閉状態になる。その理由として、サンプル７１３はサンプル７１２に比べて粘度が高く、サンプル７１３を通過させることでないためである。これにより、サンプル中に移動相溶液が混在するなどの問題が生じる。ここで、搬送流量を十分に少なくする方法があるが、ポンプ７０３から廃液部７０４まで搬送するのに非常に時間がかかる。そこで、図６に示す圧電素子６０１により、基板４０２の厚みを５μｍから２０μｍに変化させ、弁体１０１と弁座１０６の距離を長くする。これにより、サンプル７１３は流量１μｌ／ｍｉｎでサンプルを搬送することが可能となる。
【００５３】
次に、サンプル７１２と同様に、ポンプ７１０により移動相溶液を搬送することにより、流路７０６中のサンプル７１３はＨＰＬＣカラム７１１に導入される。
ＨＰＬＣカラム７１１は、ＯＤＳ（オクタデシル化シリカ）カラムを用いた逆相クロマトグラフィであり、紫外吸光検出器によって、分離された各成分の検出を行う。その結果、エチルベンゼン、グリセリンの明瞭な出力信号ピークを得ることができる。
【００５４】
以上のように、本発明の流体搬送装置を用いることにより、搬送する液体の粘度に制限されない分析システムが実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の流体搬送装置は、所定の圧力差（閾値）に応じて閉じるバルブの閾値を制御する方法として、弁体と弁座の距離を決める基板の厚みを変更するする方法を用いているので、閾値の異なるバルブを幾つも作製することなく、流体の搬送を正確に行うことができる。また、バルブと流路の間を分離できることから混入した異物を除去することができるので、特にチップ上で化学分析や化学合成を行う小型分析システム（μ―ＴＡＳ）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搬送装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の流体搬送装置のバルブの実施形態の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の流体搬送装置のバルブが駆動する工程を示す概略図である。
【図３】本発明の流体搬送方法の一実施形態を示す概略図である。
【図４】本発明の流体搬送方法の一実施形態を示す概略図である。
【図５】本発明の流体搬送方法の一実施形態を示す概略図である。
【図６】本発明の流体搬送方法の一実施形態を示す概略図である。
【図７】本発明の流体搬送装置を分析システムに用いた実施形態を示す概略図である。
【図８】従来のバルブの構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１００ バルブ
１０１ 弁体
１０２ バネ
１０３、１０４、１０５、７０５、７０６、７０７、７０８、７０９ 流路
１０６ 弁座
１０７ 部材
２０１、２０２ 流体の流れ
３００、４００ バルブ基板
３０１、３０２、３０３、３０７、４０１、４０２、４０３、４０４ 基板
３０４、５０３、５０４、６０２ スペーサ
３０５、５０１ 固定部材
３０６、５０２ 固定用ねじ
３０８ 加圧手段
４０５ 流路（スルーホール）
４０６ 出口
６０１ 圧電素子
７００ 分析システム
７０１、７０２ バルブ
７０３、７１０ ポンプ
７０４ 廃液部
７１１ ＨＰＬＣカラム
７１２ サンプル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を流すための流路と、前記流路の途中に位置し前記流体の流れを制御するためのバルブとを備えた流体搬送装置であって、前記バルブは前記流路に流体が流れたときに前記流路の上流側と下流側との間に生じる圧力差によって作動し、前記差圧が所定の値未満のときは流体を通過させ、前記圧力差が前記所定の値以上のときは流体の流れを遮断し、前記所定の値は可変であることを特徴とする流体搬送装置。
【請求項２】
前記流体搬送装置は、前記バルブと前記流路の間に所定の間隔を設けるための部材を備え、前記部材の厚みを変化させることで前記所定の値を変えることを特徴とする請求項１に記載の流体搬送装置。
【請求項３】
前記バルブは、バネと前記バネにより弾性支持された弁体を有し、前記弁体は、弁体前後の圧力差により変位し、前記圧力差が所定の値以上のときに前記弁体が前記流路を遮断することを特徴とする請求項１または２に記載の流体搬送装置。
【請求項４】
前記流体制御装置は、前記部材を変形させるための加圧手段を備え、前記加圧手段が前記部材を変形させ、前記部材の厚みを変化させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の流体搬送装置。
【請求項５】
前記部材は、弾性変形が可能な樹脂材料であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の流体搬送装置。
【請求項６】
前記加圧手段は圧電素子であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の流体搬送装置。
【請求項１】
流体を流すための流路と、前記流路の途中に位置し前記流体の流れを制御するためのバルブとを備えた流体搬送装置であって、前記バルブは前記流路に流体が流れたときに前記流路の上流側と下流側との間に生じる圧力差によって作動し、前記差圧が所定の値未満のときは流体を通過させ、前記圧力差が前記所定の値以上のときは流体の流れを遮断し、前記所定の値は可変であることを特徴とする流体搬送装置。
【請求項２】
前記流体搬送装置は、前記バルブと前記流路の間に所定の間隔を設けるための部材を備え、前記部材の厚みを変化させることで前記所定の値を変えることを特徴とする請求項１に記載の流体搬送装置。
【請求項３】
前記バルブは、バネと前記バネにより弾性支持された弁体を有し、前記弁体は、弁体前後の圧力差により変位し、前記圧力差が所定の値以上のときに前記弁体が前記流路を遮断することを特徴とする請求項１または２に記載の流体搬送装置。
【請求項４】
前記流体制御装置は、前記部材を変形させるための加圧手段を備え、前記加圧手段が前記部材を変形させ、前記部材の厚みを変化させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の流体搬送装置。
【請求項５】
前記部材は、弾性変形が可能な樹脂材料であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の流体搬送装置。
【請求項６】
前記加圧手段は圧電素子であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の流体搬送装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−８８０６３（Ｐ２００６−８８０６３Ａ）
【公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２７７７６５（Ｐ２００４−２７７７６５）
【出願日】平成１６年９月２４日（２００４．９．２４）
【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４月６日（２００６．４．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月２４日（２００４．９．２４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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