流量調整器
【課題】極めてシンプルな構造で、微細化・集積化が容易に可能で、高い耐久性を有し、高圧で粘度の高い流体または弁の出入口間における圧力差が大きくても弁が損傷することなく、安定かつ確実に弁の開閉動作が行われ、流路の開閉および流量調節を行える流量調整器を提供する。
【解決手段】微小球２が第１の位置に移動したときに、流路Ａ，Ｂ内を流れる非磁性流体の流量は、微小球２が第２の位置に移動したときに、流路Ａ，Ｂ内を流れる非磁性流体の流量よりも少ないので、極めてシンプルな構造で、微細化・集積化が容易に可能で、高い耐久性を有し、高圧で粘度の高い流体または微小球２の出入口間における圧力差が大きくても弁が損傷することなく、安定かつ確実に弁の開閉動作が行われ、流路の開閉および流量調節を行える流量調整器を提供することができる。
【解決手段】微小球２が第１の位置に移動したときに、流路Ａ，Ｂ内を流れる非磁性流体の流量は、微小球２が第２の位置に移動したときに、流路Ａ，Ｂ内を流れる非磁性流体の流量よりも少ないので、極めてシンプルな構造で、微細化・集積化が容易に可能で、高い耐久性を有し、高圧で粘度の高い流体または微小球２の出入口間における圧力差が大きくても弁が損傷することなく、安定かつ確実に弁の開閉動作が行われ、流路の開閉および流量調節を行える流量調整器を提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微量の液体や気体などの流体の流れを遮断したり、流量を調整する流量調整器に係るものであり、例えば微量または粘度の高い高圧の油などの流体を確実に調整できる流量調整器に関するものであり、また強磁性体材料を含有しない様々な微粒子を含む流体が流れる流路を切り替えることで微粒子の搬送経路を選択できる機能または微粒子をろ過する機能を有する流量調整器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、微量な流体を制御するニーズが高まり、特に化学やバイオ分野においては微小流路の内部に微量な液体を流すことで分析を可能にするために、微細加工技術を用いて作製される微小流路やマイクロバルブなどの研究が試みられている。ここで、微小流路を遮断し流路を通過する流量を制御するために、従来いくつかの方法が提案されている。一例として、
（１）静電力を用いてシリコンゴム製のダイアフラム部を平らな面に押し当てて液体を遮断するもの（例えば、特許文献１参照)、
（２）空気やガスの膨張によってメンブレンを変形させて、マイクロチップ中の微小流路を遮断するもの（例えば、特許文献２参照）、
（３）微小流路にゲートとなる部材を挿入することにより微小流路を流れる流体を遮断することが可能なスライドゲートを用いるもの（例えば、非特許文献３参照）、のような種々のアクチュエータを組み合わせてマイクロチップに設置されるマイクロバルブが提案されている。
【特許文献１】特開２００４−１７６８０２号公報
【特許文献２】特開２００４−３５８６３５号公報
【非特許文献１】Ａｌｂｅｒｔ Ｐ．Ｐｉｓａｎｏらによる、「Ｌｏｗ−Ｌｅａｋａｇｅ Ｍｉｃｒｏ Ｇａｔｅ Ｖａｌｖｅ」、Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ‘０３、Ｂｅｒｋｌｅｙ ＵＳＡ、２００３年６月１１日、ｐｐ，１４３−１４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のごとく微細加工技術を用いて作製された従来のバルブにおいて、特許文献１に記載された静電気による動作形態では、静電気力でバルブを動作させる方式であるために、対向電極の間隔を広く取れないことから十分な流路断面が確保されず、流体を搬送するときの圧力抵抗が大きくなることや、バルブ部分を弾性支持する支持部における耐久性を確保する必要があるという問題点があった。また、特許文献２や非特許文献１の技術では、流体の進行方向に対して垂直方向に動作するバルブ弁をもち流路の断面を確保することができるが、急激な高圧が加わると、特許文献２の技術においては、空圧などを用いて弾性変形により流量を調整するメンブレンが流路へ吸着することや弁が損傷する恐れがある不都合な点があげられ、非特許文献１の技術においては、スライドゲートによって流路を閉じるときに急に高い圧力差が生じる場合に弁を動作させる場合、弁の接点位置での摩擦力を上回る余分な力を必要とするという不都合な点があげられる。
【０００４】
以上のような理由からこれらのバルブにおいては、燃料や潤滑剤として使用する粘度の高い高圧の油などの流体を流入した流路中で弁を開閉する用途には不向きであるといえる。さらに、上記にあげるような遮断弁をもつ構造体を従来よりも微小化して基板内部や微小な領域に埋め込む場合には、プロセス工程が多く構造が複雑であるために、ミクロンオーダーでの微細な構造設計およびシステムの小型化を進める上で、製造、生産コストや効率なども含めて不利な点が多い。
【０００５】
そこで本発明は、以上にあげた従来の不都合な点からなる課題を解決するものであり、極めてシンプルな構造で、微細化・集積化が容易に可能で、高い耐久性を有し、高圧で粘度の高い流体または弁の出入口間における圧力差が大きくても弁が損傷することなく、安定かつ確実に弁の開閉動作が行われ、流路の開閉および流量調節を行える流量調整器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】
【０００６】
本発明の流量調整器は、
非磁性流体の流路内において、第１の位置と第２の位置との間で移動可能となっている磁性体の弁部材と、
前記弁部材を、少なくとも前記第１の位置から前記第２の位置へと移動させるように磁力を発生する磁力発生手段とを有し、
前記弁部材が第１の位置に移動したときに、前記流路内を流れる非磁性流体の流量は、前記弁部材が第２の位置に移動したときに、前記流路内を流れる非磁性流体の流量よりも少ないことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の流量調整器によれば、非磁性流体の流路内において、第１の位置と第２の位置との間で移動可能となっている磁性体の弁部材と、前記弁部材を、少なくとも前記第１の位置から前記第２の位置へと移動させるように磁力を発生する磁力発生手段とを有し、前記弁部材が第１の位置に移動したときに、前記流路内を流れる非磁性流体の流量は、前記弁部材が第２の位置に移動したときに、前記流路内を流れる非磁性流体の流量よりも少ないので、極めてシンプルな構造で、微細化・集積化が容易に可能で、高い耐久性を有し、高圧で粘度の高い流体の出入口間における圧力差が大きくても弁部材が損傷することなく、安定かつ確実に弁部材の動作が行われ、流路の開閉や流量調節を行える流量調整器を提供することができる。
【０００８】
特に、非磁性流体である気体や液体などを導入する微小断面の流路、流路の途中に連結されて流路の開閉または流量の調整を行う弁部材として機能する微小球を単一または複数個内蔵する収容部を形成したハウジングと、外部磁場の印加によって収容部内を移動する強磁性体材料を含有した微小球と、外部磁場を用いて微小球を同一または個別に動作できる磁力発生手段の他に、流体の流入口と流出口、流路の蓋部材、流路に取り付けられる各種圧力や温度測定に要するセンサなどの周辺部を含むと好ましい。
【０００９】
更に、本発明に係る流量調整器に用いるハウジングに、半導体微細加工技術を利用して流路や弁部材の収容部を作製する場合、ガラスやシリコン基板、ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙ−ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）材料をハウジングの素材として、その表面に微小な溝を作製し、更に微小溝よりも大きな断面をもつ収容部を作製した後に、流路を通過できない程度の単一または複数個の微小球を収容部に配置して、蓋部材とハウジングの貼り合わせを行い、最後に磁力発生手段を取り付けることで簡単に構造の製作が可能であり、微細化、複数多段化、高い耐圧構造を極めて安価に実現できる上に、種々の材料を用いた設計が可能であるため耐薬品性にも優れた幅広い材料設計ができる。
【００１０】
また、本発明に係る流量調整器においては、例えば微小球を用いた簡素な構成であって弾性支持部が存在しないために耐久信頼性が高く、磁力により微小球を移動するだけで開閉動作が可能であり、微小球の移動による遮断メカニズムにより流路と微小球の間の摩擦力が低減されるため、圧力差が大きくても潤滑に安定した流路の開閉および流量調整を潤滑に行うことが可能である。なお、弁部材は微小球に限らず微小円筒（これらを総称して微小体という）であっても良い。
【００１１】
更に、本発明によれば、以下の利点がある。
（１）弁部材である微小体が移動の際に生じる摩擦力を低減できるため、高粘度・高圧力の流体搬送が可能である。
（２）弾性支持部をもたない単純な構造であるために微細化、集積化が容易であり、生産コストも低い。
（３）流路に対して垂直方向に微小体を移動する場合は、流路に沿った面内における微小体が占有する面積を少なくすることができるために、複数の収容部を設計し集積化する場合は有利な構造である。
（４）磁力発生手段は、ハウジングや蓋部材とは完全に分離して取付け交換が可能な構造にできる。収容部内で流路を開閉する微小体を個別もしくは、同時に移動させることも可能である。
（５）微小体を直列に集積化することで開閉時の流量比が向上され流量調整が可能であり、マイクロポンプとしての応用、ろ過装置としての応用など、微小体の配置設計によって様々な付加機能が考えられる。
（６）構造が単純であるために、高い耐薬品性を持たせるなどの幅広い材料設計が可能である。
【００１２】
前記磁力発生手段は、前記弁部材を前記第１の位置から前記第２の位置へと移動させるか、又は前記弁部材を前記第２の位置から前記第１の位置へと移動させるように、選択的に磁力を発生させると、確実な動作を実現できるので好ましい。
【００１３】
前記弁部材は複数設けられ、前記磁力発生手段は、任意の前記弁部材が移動するように磁力を発生すると、細かい流量制御ができるので好ましい。
【００１４】
前記弁部材の収容部及び前記収容部に連通する溝を備えたハウジングと、前記収容部及び前記溝を遮蔽する蓋部材とが設けられていると好ましい。
【００１５】
前記蓋部材には、前記収容部の少なくとも一部が形成されると好ましい。
【００１６】
前記蓋部材は板材であると好ましい。
【００１７】
前記溝は、前記ハウジングの素材にエッチングマスクとレジストとをこの順序で形成した後に、露光と現像とにより前記レジストの一部を除去し、更にエッチング処理により前記レジストと前記エッチングマスクとを除去することにより形成されると好ましい。
【００１８】
前記溝は、前記ハウジングの素材に膜材料とエッチングマスクとレジストとをこの順序で形成した後に、露光と現像により前記レジストの一部を除去し、更にエッチング処理により前記レジストと前記エッチングマスクと前記膜材料の一部とを除去することにより形成されると好ましい。
【００１９】
前記溝は、前記ハウジングの素材にレジストを形成した後に、露光と現像とにより前記レジストの一部を除去することにより形成されると好ましい。
【００２０】
前記溝は、金型を用いて形成されると好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる流量調整器の側面断面図である。図２は、図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。
【００２２】
図１において、ブロック状のハウジング１は、平面である上面１ａの中央に開口した袋穴状の収容部１ｂと、上面１ａにおいて左右の両端から中央に向かって延在し収容部１ｂに連通した断面Ｕ字状もしくは凹状の流路溝１ｃとを有している。ハウジング１の素材としては、ガラス基板、シリコン基板、ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙ-ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）などを用いることができる。ガラス基板上に流路溝１ｃを作製する場合は、ガラス基板上に光硬化樹脂または熱硬化樹脂、レジスト類や、ポリミドなどを用いた膜を形成して、露光、現像、エッチングなどを経て微小流路を作製する。そのほかにも、基板本体のウェットエッチング、ＲＩＥによるドライエッチングなどを用いて流路をエッチングするための各種加工手法を用いて作製してもよい。
【００２３】
収容部１ｂは、上面１ａに対して面内方向や垂直方向に微小球２の変位を制限する形状をとってもよいし、面内方向や垂直方向などの任意の方向に微小球２を移動させる構成としてもよい。また、収容部１ｂの内部に複数の微小球（例えば多孔質材からなる）２を配置することによって微粒子のフィルタリングや機械的な破壊用途にも活用することができる。収容部１ｂ又は流路溝１ｃの形成方法については後述する。
【００２４】
ハウジング１の収容部１ｂは内径Ｄ１の例えば円筒状などであり、その内部には、外径Ｄ２（＜Ｄ１）である微小球２が、流路溝１ｃの延在方向に交差する方向に移動可能に配置されている（図２（ａ）参照）。弁部材である微小球２は、流路溝１ｃを通過できない径をもち、強磁性体を含有するものを選択する。これは、微小球２を外部磁場印加によって変位動作させるためである。従って、微小球２としては強磁性材料を含む鉄球などを用いてもよいし、表面を保護するために各種メッキ、蒸着や表面処理加工などを行ってよい。また別な例を示す図２（ｂ）のように、ハウジング１の収容部１ｂは溝幅Ｄ３、深さＤ４（図１（ａ）参照）の適当な形状で、その内部において、外径Ｄ２（＜Ｄ３、＜Ｄ４）の微小球２が、ハウジング１の面内方向（図２（ｂ）で紙面方向）に移動する形態としてもよい。この場合、電磁石４，５はハウジング１の側面に微小球２に対応して取り付けられる。
【００２５】
図１において、ブロック状のハウジング１の上面１ａに密着するようにして、板状の蓋部材３が取り付けられている。蓋部材３により流路溝１ｃの上部が覆われることで、非磁性流体の入口側流路Ａ及び出口側流路Ｂが形成されると共に、収容部１ｂも同時に遮蔽されるため、収容部１ｂは、流路Ａ、Ｂを介してのみ外部と連通することとなる。
【００２６】
蓋部材３は、ハウジング１に対して、接着剤、フッ酸を用いた接合、陽極接合、機械的な固定などをもちいて貼り合わせを行い、流路溝１ｃを外気から孤立させる機能を有するが、高圧流体を流す必要がなければ特に取り付けをする必要はない。また、必要であれば蓋部材３においても、ハウジング１と同様のプロセスを行い流路や収容部を設けることができる。
【００２７】
図１において、微小球２が上下方向に移動する場合、蓋部材３の上面には、収容部１ｂに対向して電磁石４が取り付けられており、また、ハウジング１の下面には、収容部１ｂに対向して電磁石５が取り付けられている。また、図２（ｂ）において、微小球２が面内方向に移動する場合、電磁石４，５を蓋部３の上面、ハウジング１の下面または側面にも取り付けることができる。電磁石４，５が磁力発生手段を構成するが、コイル、永久磁石などを用いて作製することができる。その他に、図示しないセンサーや、流路の導入口、導出口などが取り付けられている。
【００２８】
本実施の形態の動作について説明する。図１，２において、入口側流路Ａは非磁性流体の貯蔵部（不図示）に接続され、出口側流路Ｂは、非磁性流体を供給すべき箇所（不図示）に接続されているものとする。ここで、外部の電源（不図示）から電磁石５に電力を供給し、電磁石４には電力を供給しない状態では、電磁石５のみから磁気が発生し、それにより図１（ａ）に示すように、微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石５（図１で下方）に向かって吸引され、収容部１ｂの底面に接触する。かかる位置が第２の位置になる。このとき、入口側流路Ａ及び出口側流路Ｂは、微小球２により塞がれることがなく、比較的大きな流量で非磁性流体が入口側流路Ａから出口側流路Ｂに流れることとなる。
【００２９】
ここで、外部の電源から電磁石５への電力供給を遮断すると共に、電磁石４に電力を供給すると、電磁石４のみから磁気が発生し、それにより図１（ｂ）に示すように、微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石４（図１で上方）に向かって吸引される。かかる位置が第１の位置になる。このとき、入口側流路Ａ及び出口側流路Ｂの間に微小球２が位置するようになるが、微小球２と収容部１ｂとの間には微小なスキマが存在する。従って、図１（ａ）に示す状態よりも出口側流路Ｂを通過する非磁性流体の流量は少なくなる。
【００３０】
このように収容部１ｂ内の微小球２は、外部磁場の印加によって流路Ａ，Ｂを開閉または流量制御することができるので、微小球２の移動形態に応じて電磁石４，５をハウジング１や蓋部材３の面の任意の位置に固定することができる。収容部１ｂを集積化する場合は、各収容部１ｂ内部に収容された複数の微小球２を同時に動かすために一つあるいは複数の磁力発生手段を用いてもよいし、または例えば磁力発生手段を収容部１ｂの数分だけ複数個置くことによって微小球２を個別に移動する形態としてもよい。
【００３１】
以上のように、本実施の形態の流量調整器は、簡単に作製される極めて簡単な構造であることにより、微細化、複数多段化、高い耐圧構造を極めて安価に実現できる上に、種々の材料で設計可能であるため耐薬品性にも優れている。また、幅広い材料設計が可能であり、微小球２を用いた簡単な形状で弾性支持部が存在しないために耐久信頼性が高く、外部磁場により微小球２を移動するだけで開閉動作が可能であり、微小球２の移動による遮断メカニズムにより流路Ａ，Ｂと微小球２の間の摩擦力が低減されるため、圧力差が大きくても潤滑に安定した流路Ａ、Ｂの開閉および流量調整を円滑に行うことが可能である。
【００３２】
なお、電磁石５は必須の構成ではなく、永久磁石に置き換えてもよい。この場合、例えば電磁石４への電力供給を遮断することで、磁力および自重を用いて微小球２を収容部１ｂ内で下方に移動させることができる。
【００３３】
図３（ａ）は、第２の実施の形態にかかる流量調整器を示す図１と同様な側面断面図であるが、同様な構成については説明を省略する。ハウジング１は、平面である上面１ａの中央に開口した袋穴状の４つの収容部１ｂと、必要があれば置く溝３ａと、上面１ａにおいて左右の両端から中央に向かって延在し４つの収容部１ｂと直列に連通する断面Ｕ字状もしくは凹状または円状などの流路溝１ｃとを有している。各収容部１ｂ内には、図１，２に示す例と同様に強磁性体である微小球２が配置されている。
【００３４】
図３（ａ）において、ブロック状のハウジング１の上面１ａに密着するようにして、板状の蓋部材３が取り付けられている。蓋部材３により流路溝１ｃの上部が覆われることで、非磁性流体の流路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅが形成されると共に、４つの収容部１ｂも同時に遮蔽されるため、内側の２つの収容部１ｂは、流路Ｂ，Ｃ、Ｅにより隣接する収容部１ｂ、１ｂのみに連通し、両端側の２つの収容部１ｂは、流路Ａ，Ｅにより外部と連通し且つ流路Ｂ、Ｄにより隣接する収容部１ｂに連通している。
【００３５】
図３（ａ）において、蓋部材３の上面には、各収容部１ｂに対向して電磁石４が取り付けられており、また蓋部材３の下面には、収容部１ｂの一部を構成する、必要があれば置く溝３ａが形成されている。更に、ハウジング１の下面には、各収容部１ｂに対向して電磁石５が取り付けられている。電磁石４，５が磁力発生手段を構成するが、本実施の形態では、各電磁石４，５は独立して磁力を発生可能となっている。なお、図３（ｂ）に示す変形例のように、ハウジング１の各収容部１ｂを深さ方向より流路Ａ〜Ｅに直交する面内方向に長くすることで、微小球２が、ハウジング１の収容部１ｂに沿って移動する形態としてもよい。この場合、電磁石４，５はハウジング１の側面に微小球２に対応してそれぞれ取り付けられる。
【００３６】
本実施の形態の動作について説明する。図３（ａ）において、入口側流路Ａは非磁性流体の貯蔵部（不図示）に接続され、出口側流路Ｅは、非磁性流体を供給すべき箇所（不図示）に接続されているものとする。ここで、外部の電源（不図示）から全ての電磁石５に電力を供給し、全ての電磁石４には電力を供給しない状態では、全ての電磁石５のみから磁気が発生し、各微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石５（例えば図３（ａ）で下方）に向かって吸引され、収容部１ｂの底面に接触する（第２の位置になる）。このとき、流路Ａ〜Ｅは、いずれの微小球２により塞がれることがなく、比較的大きな流量で非磁性流体が入口側流路Ａから出口側流路Ｅに流れることとなる。
【００３７】
ここで、外部の電源から全ての電磁石５への電力供給を遮断すると共に、全ての電磁石４に電力を供給すると、全ての電磁石４のみから磁気が発生し、それにより各微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石４（例えば図３（ａ）で上方）に向かって吸引され、蓋部材３の下面に接触する（第１の位置になる）。このとき、入口側流路Ａ及び出口側流路Ｅの間に全ての微小球２が位置するようになるため、流路抵抗が増大し、非磁性流体の入口側流路Ａから出口側流路Ｅへの流れが抑制される。
【００３８】
一方、例えば図３（ａ）に示すように、左から２番目の電磁石４と、左から１，３，４番目の電磁石５のみに電力を供給するようにすると、左から２番目の微小球２のみが第１の位置になり、それ以外の３つの微小球２は第２の位置となる。即ち、流路Ａ〜Ｅを塞いでいるのは、１つの微小球２のみであるため、その流路抵抗に応じた流量の非磁性流体が流路を流れるように調整されることとなる。明らかであるが、任意の数及び位置の電磁石４、５にのみ電力を供給するようにすると、流路Ａ〜Ｅを塞ぐ微小球２の数と位置が変化するので、それに応じて流量調整器を通過する非磁性流体の流量が変化することとなる。収容部１ｂと微小球２の数を増大させれば、それに応じて細かい流量調整が可能となる。このように多段配置構造をとることによって、開閉時の流量比を簡易に大きくすることができる
【００３９】
図４（ａ）は、第２の実施の形態の変形例にかかる流量調整器の図３（ａ）と同様な断面図である。図４（ａ）に示す変形例においては、各収容部１ｂは、流路溝１ｃの長手方向及び上面１ａに対して直角でなく傾いて延在している。それ以外の構成に関しては、第２の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。本変形例によれば、収容部１ｂを傾斜を持たせて複数配置することによって、送り流量を増加するポンプ機能を与えることが可能である。なお、図４（ｂ）に示す変形例のように、ハウジング１の各収容部１ｂを深さ方向より流路Ａ〜Ｅに対して傾いた面内方向に長くすることで、微小球２が、ハウジング１の収容部１ｂに沿って移動する形態としてもよい。この場合、電磁石４，５はハウジング１の側面に微小球２に対応してそれぞれ取り付けられる。
【００４０】
図５は、第３の実施の形態にかかる流量調整器の分解斜視図であり、ハウジング１と蓋部材３とが分離した状態で示されている。本実施の形態においては、図１，２の実施の形態に対して、ハウジング１に形成した収容部１ｂを、ハウジング１の上面１ａに平行に且つ流路溝１ｃの長手方向に直角延在するように形成した点が異なっており、それに伴い、電磁石４，５を収容部１ｂに対向してハウジング１の両側面にそれぞれ接着している。なお、電磁石４，５はハウジング１の下面や蓋部材３の上面に取り付けてもよい。収容部１ｂは、その内部に転動自在に微小球２が配置されている。流路溝１ｃは、収容部１ｂに対して電磁石４寄りに接続している。なお、収容部１ｂを複数設けることは任意であるし、収容部１ｂを任意方向に傾けてもよい。
【００４１】
本実施の形態の動作について説明する。図５において、入口側流路Ａは非磁性流体の貯蔵部（不図示）に接続され、出口側流路Ｂは、非磁性流体を供給すべき箇所（不図示）に接続されているものとする。ここで、外部の電源（不図示）から電磁石５に電力を供給し、電磁石４には電力を供給しない状態では、電磁石５のみから磁気が発生し、微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石５（図５で右方）に向かって吸引され、収容部１ｂの右側面に接触する（第２の位置になる）。このとき、流路Ａ、Ｂは微小球２により塞がれることがなく、比較的大きな流量で非磁性流体が入口側流路Ａから出口側流路Ｂに流れることとなる。
【００４２】
一方、外部の電源から電磁石５への電力供給を遮断すると共に、電磁石４に電力を供給すると、電磁石４のみから磁気が発生し、それにより微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石４（図５で左方）に向かって吸引され、収容部１ｂの左側面に接触する（第１の位置になる）。このとき、入口側流路Ａ及び出口側流路Ｂの間に微小球２が位置するようになるため、流路抵抗が増大し、非磁性流体の入口側流路Ａから出口側流路Ｂへの流れが抑制される。
【００４３】
図６（ａ）は、第４の実施の形態にかかる流量調整器の図１と同様な側面断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の構成をVIB-VIB線で切断して矢印方向に見た図である。図６（ｃ）は、第４の実施の形態の変形例において蓋部材３を取り外した状態で示す上面図である。本実施の形態においては、図１，２の実施の形態に対して、蓋部材３の下面に、収容部１ｂの一部を構成する溝３ａを形成している。又、ハウジング１の上面に形成された流路溝１ｃの断面を半円形状とし、それに対向して蓋部材３の下面に形成された流路溝３ｂの断面を半円形状としている。従って、ハウジング１に蓋部材３を接着したときに、流路溝１ｃと流路溝３ｂとで形成される流路Ａ、Ｂは、断面が円形状となっている。それ以外の構成については、図１、２の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。なお、図６（ｃ）のように、ハウジング１の収容部１ｂを深さ方向より流路Ａ、Ｂに直交する面内方向に長くすることで、微小球２が、ハウジング１の収容部１ｂに沿って移動する形態としてもよい。この場合、電磁石４，５はハウジング１の側面に微小球２に対応して取り付けられる。
【００４４】
本実施の形態の動作について説明する。図６において、入口側流路Ａは非磁性流体の貯蔵部（不図示）に接続され、出口側流路Ｂは、非磁性流体を供給すべき箇所（不図示）に接続されているものとする。ここで、外部の電源（不図示）から電磁石５に電力を供給し、電磁石４には電力を供給しない状態では、電磁石５のみから磁気が発生し、微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石５（図６で下方）に向かって吸引され、収容部１ｂの底面に接触する（第２の位置になる）。このとき、流路Ａ、Ｂは微小球２により塞がれることがなく、比較的大きな流量で非磁性流体が入口側流路Ａから出口側流路Ｂに流れることとなる。
【００４５】
一方、外部の電源から電磁石５への電力供給を遮断すると共に、電磁石４に電力を供給すると、電磁石４のみから磁気が発生し、それにより微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石４（図６で上方）に向かって吸引され、蓋部材３の溝３ａの底面に接触する（第１の位置になる）。このとき、図６（ｂ）に示すように、出口側流路Ｂの中心線が微小球２の中心を通るようにすると、第１の位置に移動した微小球２は、出口側流路Ｂの開口部を丁度塞ぐ形となる。これにより、非磁性流体が出口側流路Ｂに流れ出すことが抑制されるので、流量調整器を、完全閉止可能なマイクロバルブとしても機能させることができる。
【００４６】
図７（ａ）は、第５の実施の形態にかかる流量調整器の側面断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の構成をVIIB-VIIB線で切断して矢印方向に見た図であるが、蓋部材３は取り外して示している。図７（ｃ）は、第５の実施の形態の変形例において蓋部材３を取り外した状態で示す上面図である。本実施の形態においては、図１，２の実施の形態に対して、ハウジング１に形成した単一の収容部１ｂの中に複数個の微小球２を配置している。（図７には例として単一の収容部１ｂの中に２列ずつ３個（計６個）の微小球２を、殆どスキマなく配置し図示する）。また、各微小球２に対向して、ハウジング１の下面及び蓋部材３の上面に、各微小球２を同時にまたは独立して動作可能な電磁石４，５をそれぞれ取り付けている。それ以外の構成については、上述した実施の形態と同様であるため説明を省略する。なお、図７（ｃ）のように、ハウジング１の収容部１ｂを深さ方向より流路Ａ、Ｂに直交する面内方向に長くすることで、複数の微小球２が、ハウジング１の収容部１ｂに沿って独立して移動する形態としてもよい。この場合、電磁石４，５はハウジング１の側面に微小球２に対応してそれぞれ取り付けられる。
【００４７】
本実施の形態の動作について説明する。図７（ａ）、（ｂ）において微小球２が上下方向に移動する場合、入口側流路Ａは非磁性流体の貯蔵部（不図示）に接続され、出口側流路Ｂは、非磁性流体を供給すべき箇所（不図示）に接続されているものとする。ここで、外部の電源（不図示）から全ての電磁石５に電力を供給し、全ての電磁石４には電力を供給しない状態では、全ての電磁石５のみから磁気が発生し、各微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石５（図７（ａ）で下方）に向かって吸引され、収容部１ｂの底面に接触する（第２の位置になる）。このとき、流路Ａ、Ｂは、いずれの微小球２により塞がれることがなく、比較的大きな流量で非磁性流体が入口側流路Ａから出口側流路Ｅに流れることとなる。
【００４８】
ここで、外部の電源から全ての電磁石５への電力供給を遮断すると共に、全ての電磁石４に電力を供給すると、全ての電磁石４のみから磁気が発生し、それにより各微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石４（図７（ａ）で上方）に向かって吸引され、蓋部材３の下面に接触する（第１の位置になる）。このとき、入口側流路Ａ及び出口側流路Ｂの間に全ての微小球２が位置するようになるため、流路抵抗が増大し、非磁性流体の入口側流路Ａから出口側流路Ｂへの流れが抑制される。
【００４９】
一方、各電磁石４，５への電力の供給状態を調整することで、蓋部材３の下面に接触する微小球２を収容部１ｂ内で任意のパターンで配置することもできる。例えば図７（ｂ）において、第１の位置にある微小球２をハッチングで示し、第２の位置にある微小球２を白抜きで示しているように、蓋部材３の下面に接触する微小球２を千鳥状に配置できる。即ち、流路Ａ、Ｂ間を塞ぐ微小球２の数と位置を任意に変更できるので、それに応じて流量調整器を通過する非磁性流体の流量が変化することとなる。収容部１ｂ内の微小球２の数を増大させれば、それに応じて細かい流量調整が可能となる。このように複数の微小球２を用いて、出口側流路Ｂの開閉を行うことにより、非磁性流体の流れにのって搬送される微粒子などの機械的破壊装置や濾過装置としても機能させることが可能である。なお、微小球２を１つずつ、第１の位置又は第２の位置に移動させれば、流量変化を徐々に行わせる構成も可能となる。図７（ｃ）において、微小球２が面内方向に移動する場合、電磁石４，５はハウジング１の上面や蓋部３の下面に取り付けてもよい。
【００５０】
図８は、第６の実施の形態にかかる流量調整器の上面図であるが、蓋部材は取り外して示している。本実施の形態においては、図１，２の実施の形態に対して、ハウジング１に複数個（例えば５個）の収容部１ｂを形成しており、また入口側流路Ａは入口が１つで中で分岐して５つの収容部１ｂに連通し、更に各収容部１ｂからそれぞれ出口側流路Ｂ〜Ｆがハウジング１の外部まで延在するように、計５本形成されている。各収容部１ｂ内に微小球２が配置されている。また、各微小球２に対向して、ハウジング１の下面及び蓋部材３の上面に、電磁石（不図示）をそれぞれ取り付けている。それ以外の構成については、上述した実施の形態と同様であるため説明を省略する。なお、図６（ｃ）、図７（ｃ）と同様に各微小球２は、ハウジング１の面内方向に移動する形態をとってもよい。
【００５１】
本実施の形態の動作について説明する。図８において微小球２が上下方向に移動する場合、入口側流路Ａは非磁性流体の貯蔵部（不図示）に接続され、出口側流路Ｂ〜Ｆは、非磁性流体を供給すべき箇所（不図示）に接続されているものとする。本実施の形態によれば、各電磁石への電力の供給状態を調整することで、蓋部材の下面に接触する微小球２を任意に設定できる。例えば図８において、第１の位置にある微小球２をハッチングで示し、第２の位置にある微小球２を白抜きで示しているように、出口側流路Ｂ、Ｄ、Ｆは微小球２によりふさぎ、出口側流路Ｃ、Ｅは開放している。これにより、必要な箇所にのみ非磁性流体を供給することができる。このように、一つの入口側流路Ａから侵入した非磁性流体を、出口側流路Ｂ〜Ｆの選択を行うことによって、流量調整器を、流体の流れに乗って搬送される微粒子などの振り分けを行うマイクロバルブとして機能させることができる。微小球２が面内方向に移動する場合、電磁石４，５はハウジング１の上面や蓋部３の下面に取り付けてもよい。
【００５２】
次に、ハウジング１（又は蓋部材３）に微細な流路溝１ｃを形成する方法について説明する。かかる形成方法としては、以下の３つがあげられる。以下、ハウジング又は蓋部材の素材を基板Ｓと呼ぶこととする。
（１）エッチング流路加工法：
これは、基板Ｓに、ウエットエッチングまたはドライエッチングを用いて流路用の微細な溝Ｓｇを加工する方法である。図９に、エッチング流路加工法のプロセスフローを示す。まずエッチング部分以外を保護するためのエッチングマスク層ＥＭとして、クロムなどを真空蒸着やスパックリングなどにより基板Ｓの上面に成膜する（図９（ａ）参照）。次にスピンコートによりレジストＲＳを、エッチングマスク層ＥＭの上面に均一の厚さで被覆する（図９（ｂ）参照）。その後、フォトリソグラフィーやその他の露光技術により、微細な流路溝１ｃの形状にレジストのＲＳパターニング（パターン転写）を行った後（図９（ｃ）参照）、エッチングマスク層ＥＭをエッチングし（図９（ｄ）参照）、基板Ｓのエッチングを行い（図９（ｅ）参照）、最終的には、不要なエッチングマスク層ＥＭとレジストＲＳを除去して、基板Ｓに微細な溝Ｓｇの形成を行う。収容部も同様にして形成できる。
【００５３】
エッチング流路加工法に用いる材料構成の実施例を以下に示す。
（実施例１）基板：石英又はガラス／エッチングマスク：Ｃｒ等／レジスト：フォトレジスト／マスクのエッチング液：Ｃｒエッチャント／基板エッチング：フッ酸溶液（ウエットエッチング）
（実施例２）基板：シリコン／エッチングマスク：ＳｉＯ2＋Ｃｒ等／レジスト：フォトレジスト／マスクのエッチング液：Ｃｒエッチャント（硝酸二アンモニウムセリウム＋過塩素酸）、ＳｉＯ2エッチャント（フッ酸緩衝溶液）／基板エッチング：ＫＯＨ又はＴＭＡＨを用いたウェットエッチング、又はＳＦ6を用いたドライエッチング、プラズマエッチング、ＲＩＥエッチング）
【００５４】
（２）膜材料を用いた流路加工法：
これは、基板に成膜した膜材料に流路用の微細な溝を加工する方法である。図１０、１１に膜材料を用いた流路加工法のプロセスフローを示す。本手法は、感光性の膜材料を露光することで微細な溝を形成できるｉ）感光材料を使用する場合と、ｉｉ)基板上の膜材料をエッチングで加工する非感光性材料を使用した場合などがある。
【００５５】
ｉ）感光材料を使用する場合は、基板Ｓ上にフォトレジストＰＲを塗布し（図１０（ａ）参照）、フォトリソグラフィーやその他の露光技術でパターニングし（図１０（ｂ）参照）、更に現像することで一部のフォトレジストＰＲを除去して微細な溝Ｓｇを形成することができる（図１０（ｃ）参照）。
【００５６】
ｉｉ)非感光材料を使用する場合は、図９を参照して説明したエッチング流路加工法に類似した作製方法を用いる。より具体的には、膜材料ＰＲとエッチングマスクＥＭとレジストＲＳを、この順序で基板Ｓの上面に成膜する（図１１（ａ）参照）。次に、フォトリソグラフィーやその他の露光技術により、微細な溝Ｓｇの形状にレジストのＲＳパターニング（パターン転写）を行った後（図１１（ｂ）参照）、エッチングマスク層ＥＭをエッチングし（図１１（ｃ）参照）、膜材料ＰＲのエッチングを行い（図１１（ｄ）参照）、最終的には、不要なエッチングマスク層ＥＭとレジストＲＳを除去して、膜材料ＰＲに微細な溝Ｓｇの形成を行う。収容部も同様にして形成できる。
【００５７】
膜材料を用いた流路加工法に用いる材料構成の実施例を以下に示す。なお、基板としてはガラス又はシリコンを用いることができるが、材料を特定せず非磁性材料であれば様々なものが使用できる。特に、膜材料にシリコンを用いる場合は、ＳＯＩ基板を使用することもできる。
【００５８】
（感光材料を使用する実施例１）膜材料：光硬化樹脂、厚膜レジスト又は感光性ポリミド
（非感光材料を使用する実施例２）膜材料：ＳｉＯ2ガラス等／レジスト：フォトレジスト／エッチングマスク：Ｃｒ等／膜のエッチング：フッ酸溶液（ウエットエッチング）
（非感光材料を使用する実施例３）膜材料：ポリミド等／レジスト：フォトレジスト／エッチングマスク：Ｃｒ、ＳｉＯ2等／膜のエッチング：ＫＯＨ又はＴＭＡＨを用いたウェットエッチング）
（非感光材料を使用する実施例４）膜材料：レジスト等／レジスト：フォトレジスト／エッチングマスク：ＳｉＯ2等／膜のエッチング：Ｏ2ガスを用いたドライエッチング
（非感光材料を使用する実施例５）膜材料：シリコン等／レジスト：フォトレジスト／エッチングマスク：Ｃｒ、ＳｉＯ2等／膜のエッチング：ＫＯＨ又はＴＭＡＨを用いたウェットエッチング、又はＳＦ6を用いたドライエッチング
【００５９】
なお、ＳｉＯ2エッチャントはフッ酸緩衝溶液であり、シリコン基板のエッチングは、ＫＯＨ又はＴＭＡＨを用いたウェットエッチング、又はＳＦ6を用いたドライエッチングが好適である。膜材料を用いた流路加工法においては、流路の深さが膜材料の膜厚より浅く加工されていてもよい。
【００６０】
（３）金型を用いた成形による流路加工法：
これは、流路用の微細な溝のパターンを転写するために準備した金型を利用して、金型の表面形状に相反する形状を転写することで流路用の微細な溝を作製する手法であるが、これは大量生産に適している。ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙ‐ｄｉｍｅｔｈｙlｓｉｌｏｘａｎｅ）やシリコンゴムなどを金型の上で成型する成型手法とプラスチックに圧力をかけて金型に押しつけて成形する成形手法によってもよい。
【００６１】
図１２は、金型からＰＤＭＳに微細な溝を形成するプロセスフローを示す図である。図１２（ａ）において、微細な溝に対応する凸部を有する金型Ｍを製造する。続いて、図１２（ｂ）に示すように、金型Ｍの凸部によりＰＤＭＳ上に微細溝Ｓｇを転写形成する。更に図１２（ｃ）に示すように、金型ＭよりＰＤＭＳを離型させることで、微細溝Ｓｇを有するハウジング等を形成できる。
【００６２】
図１３は、金型から樹脂に微細な溝を形成するプロセスフローを示す図である。図１３（ａ）において、微細な溝に対応する凸部を有する金型Ｍを製造する。続いて、図１３（ｂ）に示すように、金型Ｍの凸部上に溶融した樹脂ＰＬをかぶせることで、微細溝Ｓｇを転写形成する。更に樹脂ＰＬが固化した後に、図１３（ｃ）に示すように、金型Ｍより樹脂ＰＬを離型させることで、微細溝Ｓｇを有するハウジング等を形成できる。
【００６３】
更に、ハウジングと蓋部材の接着は、基本的には接着剤や光硬化樹脂、熱硬化樹脂を用いることが可能ではあるが、耐圧性をよくするために、石英やシリコンの直接接合、ガラスとシリコンの陽極接合、ガラス間ではフッ酸を用いたフッ酸接合、場合によっては機械的な固定手法などの種々の接合手法を用いてもよい。
【００６４】
以上述べたように、本実施の形態によれば、外部磁場を用いて微小球の移動により流路の開閉または流量調整を行うことが可能であるために、簡単な構造で、耐圧力性に優れたバルブを実現できることから、粘度の高い油の輸送や、高圧の流れを用いた流体の搬送にも使用できる。また、簡単な構造であるために、微小化や集積化に極めて優れた構造であり、特に直列に配置することによってバルブとしての開閉機能を向上でき、個別に動作させることで流量調整機能や、マイクロポンプとして機能させることが可能である。さらに外部磁場を制御して複数チャネルを組み合わせて流路の開閉を行うことで、流体中に流した磁性体以外の様々な微粒子の搬送、例えば細胞やＤＮＡなどの生体物質を通過しても細胞が破壊されることがなく、効率的な搬送経路の選択を行うことも可能である。その他、光スイッチや微粒子・細胞などの機械的な破壊、微小物体のフィルタとしても応用できる。以上のように、微小球の集積化と配置設計によって多機能な応用の実現や生産コストの削減を図ることができる。
【００６５】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本実施の形態にかかる流量調整器の側面断面図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図であり、図２（ｂ）は、別な例にかかる流量調整器の図２（ａ）と同様な図である。
【図３】図３（ａ）は、第２の実施の形態にかかる流量調整器を示す図１と同様な側面断面図であり、図３（ｂ）は、第２の実施の形態の変形例において蓋部材３を取り外した状態で示す上面図である。
【図４】図４（ａ）は、第２の実施の形態の変形例にかかる流量調整器の図３と同様な断面図であり、図４（ｂ）は、更に別な変形例において蓋部材３を取り外した状態で示す上面図である。
【図５】第３の実施の形態にかかる流量調整器の分解斜視図である。
【図６】図６（ａ）は、第４の実施の形態にかかる流量調整器の図１と同様な側面断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の構成をVIB-VIB線で切断して矢印方向に見た図である。図６（ｃ）は、第４の実施の形態の変形例において蓋部材３を取り外した状態で示す上面図である。
【図７】図７（ａ）は、第４の実施の形態にかかる流量調整器の側面断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の構成をVIIB-VIIB線で切断して矢印方向に見た図である。図７（ｃ）は、第５の実施の形態の変形例において蓋部材３を取り外した状態で示す上面図である。
【図８】第５の実施の形態にかかる流量調整器の上面図である。
【図９】エッチング流路加工法のプロセスフローを示す図である。
【図１０】感光性の膜材料を用いた流路加工法のプロセスフローを示す図である。
【図１１】非感光性の膜材料を用いた流路加工法のプロセスフローを示す図である。
【図１２】金型からＰＤＭＳに微細な溝を形成するプロセスフローを示す図である。
【図１３】金型から樹脂に微細な溝を形成するプロセスフローを示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１ ハウジング
１ａ 上面
１ｂ 収容部
１ｃ 流路溝
２ 微小球
３ 蓋部材
３ａ 溝
３ｂ 流路溝
４，５ 電磁石
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ、Ｆ 流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微量の液体や気体などの流体の流れを遮断したり、流量を調整する流量調整器に係るものであり、例えば微量または粘度の高い高圧の油などの流体を確実に調整できる流量調整器に関するものであり、また強磁性体材料を含有しない様々な微粒子を含む流体が流れる流路を切り替えることで微粒子の搬送経路を選択できる機能または微粒子をろ過する機能を有する流量調整器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、微量な流体を制御するニーズが高まり、特に化学やバイオ分野においては微小流路の内部に微量な液体を流すことで分析を可能にするために、微細加工技術を用いて作製される微小流路やマイクロバルブなどの研究が試みられている。ここで、微小流路を遮断し流路を通過する流量を制御するために、従来いくつかの方法が提案されている。一例として、
（１）静電力を用いてシリコンゴム製のダイアフラム部を平らな面に押し当てて液体を遮断するもの（例えば、特許文献１参照)、
（２）空気やガスの膨張によってメンブレンを変形させて、マイクロチップ中の微小流路を遮断するもの（例えば、特許文献２参照）、
（３）微小流路にゲートとなる部材を挿入することにより微小流路を流れる流体を遮断することが可能なスライドゲートを用いるもの（例えば、非特許文献３参照）、のような種々のアクチュエータを組み合わせてマイクロチップに設置されるマイクロバルブが提案されている。
【特許文献１】特開２００４−１７６８０２号公報
【特許文献２】特開２００４−３５８６３５号公報
【非特許文献１】Ａｌｂｅｒｔ Ｐ．Ｐｉｓａｎｏらによる、「Ｌｏｗ−Ｌｅａｋａｇｅ Ｍｉｃｒｏ Ｇａｔｅ Ｖａｌｖｅ」、Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ‘０３、Ｂｅｒｋｌｅｙ ＵＳＡ、２００３年６月１１日、ｐｐ，１４３−１４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のごとく微細加工技術を用いて作製された従来のバルブにおいて、特許文献１に記載された静電気による動作形態では、静電気力でバルブを動作させる方式であるために、対向電極の間隔を広く取れないことから十分な流路断面が確保されず、流体を搬送するときの圧力抵抗が大きくなることや、バルブ部分を弾性支持する支持部における耐久性を確保する必要があるという問題点があった。また、特許文献２や非特許文献１の技術では、流体の進行方向に対して垂直方向に動作するバルブ弁をもち流路の断面を確保することができるが、急激な高圧が加わると、特許文献２の技術においては、空圧などを用いて弾性変形により流量を調整するメンブレンが流路へ吸着することや弁が損傷する恐れがある不都合な点があげられ、非特許文献１の技術においては、スライドゲートによって流路を閉じるときに急に高い圧力差が生じる場合に弁を動作させる場合、弁の接点位置での摩擦力を上回る余分な力を必要とするという不都合な点があげられる。
【０００４】
以上のような理由からこれらのバルブにおいては、燃料や潤滑剤として使用する粘度の高い高圧の油などの流体を流入した流路中で弁を開閉する用途には不向きであるといえる。さらに、上記にあげるような遮断弁をもつ構造体を従来よりも微小化して基板内部や微小な領域に埋め込む場合には、プロセス工程が多く構造が複雑であるために、ミクロンオーダーでの微細な構造設計およびシステムの小型化を進める上で、製造、生産コストや効率なども含めて不利な点が多い。
【０００５】
そこで本発明は、以上にあげた従来の不都合な点からなる課題を解決するものであり、極めてシンプルな構造で、微細化・集積化が容易に可能で、高い耐久性を有し、高圧で粘度の高い流体または弁の出入口間における圧力差が大きくても弁が損傷することなく、安定かつ確実に弁の開閉動作が行われ、流路の開閉および流量調節を行える流量調整器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】
【０００６】
本発明の流量調整器は、
非磁性流体の流路内において、第１の位置と第２の位置との間で移動可能となっている磁性体の弁部材と、
前記弁部材を、少なくとも前記第１の位置から前記第２の位置へと移動させるように磁力を発生する磁力発生手段とを有し、
前記弁部材が第１の位置に移動したときに、前記流路内を流れる非磁性流体の流量は、前記弁部材が第２の位置に移動したときに、前記流路内を流れる非磁性流体の流量よりも少ないことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の流量調整器によれば、非磁性流体の流路内において、第１の位置と第２の位置との間で移動可能となっている磁性体の弁部材と、前記弁部材を、少なくとも前記第１の位置から前記第２の位置へと移動させるように磁力を発生する磁力発生手段とを有し、前記弁部材が第１の位置に移動したときに、前記流路内を流れる非磁性流体の流量は、前記弁部材が第２の位置に移動したときに、前記流路内を流れる非磁性流体の流量よりも少ないので、極めてシンプルな構造で、微細化・集積化が容易に可能で、高い耐久性を有し、高圧で粘度の高い流体の出入口間における圧力差が大きくても弁部材が損傷することなく、安定かつ確実に弁部材の動作が行われ、流路の開閉や流量調節を行える流量調整器を提供することができる。
【０００８】
特に、非磁性流体である気体や液体などを導入する微小断面の流路、流路の途中に連結されて流路の開閉または流量の調整を行う弁部材として機能する微小球を単一または複数個内蔵する収容部を形成したハウジングと、外部磁場の印加によって収容部内を移動する強磁性体材料を含有した微小球と、外部磁場を用いて微小球を同一または個別に動作できる磁力発生手段の他に、流体の流入口と流出口、流路の蓋部材、流路に取り付けられる各種圧力や温度測定に要するセンサなどの周辺部を含むと好ましい。
【０００９】
更に、本発明に係る流量調整器に用いるハウジングに、半導体微細加工技術を利用して流路や弁部材の収容部を作製する場合、ガラスやシリコン基板、ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙ−ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）材料をハウジングの素材として、その表面に微小な溝を作製し、更に微小溝よりも大きな断面をもつ収容部を作製した後に、流路を通過できない程度の単一または複数個の微小球を収容部に配置して、蓋部材とハウジングの貼り合わせを行い、最後に磁力発生手段を取り付けることで簡単に構造の製作が可能であり、微細化、複数多段化、高い耐圧構造を極めて安価に実現できる上に、種々の材料を用いた設計が可能であるため耐薬品性にも優れた幅広い材料設計ができる。
【００１０】
また、本発明に係る流量調整器においては、例えば微小球を用いた簡素な構成であって弾性支持部が存在しないために耐久信頼性が高く、磁力により微小球を移動するだけで開閉動作が可能であり、微小球の移動による遮断メカニズムにより流路と微小球の間の摩擦力が低減されるため、圧力差が大きくても潤滑に安定した流路の開閉および流量調整を潤滑に行うことが可能である。なお、弁部材は微小球に限らず微小円筒（これらを総称して微小体という）であっても良い。
【００１１】
更に、本発明によれば、以下の利点がある。
（１）弁部材である微小体が移動の際に生じる摩擦力を低減できるため、高粘度・高圧力の流体搬送が可能である。
（２）弾性支持部をもたない単純な構造であるために微細化、集積化が容易であり、生産コストも低い。
（３）流路に対して垂直方向に微小体を移動する場合は、流路に沿った面内における微小体が占有する面積を少なくすることができるために、複数の収容部を設計し集積化する場合は有利な構造である。
（４）磁力発生手段は、ハウジングや蓋部材とは完全に分離して取付け交換が可能な構造にできる。収容部内で流路を開閉する微小体を個別もしくは、同時に移動させることも可能である。
（５）微小体を直列に集積化することで開閉時の流量比が向上され流量調整が可能であり、マイクロポンプとしての応用、ろ過装置としての応用など、微小体の配置設計によって様々な付加機能が考えられる。
（６）構造が単純であるために、高い耐薬品性を持たせるなどの幅広い材料設計が可能である。
【００１２】
前記磁力発生手段は、前記弁部材を前記第１の位置から前記第２の位置へと移動させるか、又は前記弁部材を前記第２の位置から前記第１の位置へと移動させるように、選択的に磁力を発生させると、確実な動作を実現できるので好ましい。
【００１３】
前記弁部材は複数設けられ、前記磁力発生手段は、任意の前記弁部材が移動するように磁力を発生すると、細かい流量制御ができるので好ましい。
【００１４】
前記弁部材の収容部及び前記収容部に連通する溝を備えたハウジングと、前記収容部及び前記溝を遮蔽する蓋部材とが設けられていると好ましい。
【００１５】
前記蓋部材には、前記収容部の少なくとも一部が形成されると好ましい。
【００１６】
前記蓋部材は板材であると好ましい。
【００１７】
前記溝は、前記ハウジングの素材にエッチングマスクとレジストとをこの順序で形成した後に、露光と現像とにより前記レジストの一部を除去し、更にエッチング処理により前記レジストと前記エッチングマスクとを除去することにより形成されると好ましい。
【００１８】
前記溝は、前記ハウジングの素材に膜材料とエッチングマスクとレジストとをこの順序で形成した後に、露光と現像により前記レジストの一部を除去し、更にエッチング処理により前記レジストと前記エッチングマスクと前記膜材料の一部とを除去することにより形成されると好ましい。
【００１９】
前記溝は、前記ハウジングの素材にレジストを形成した後に、露光と現像とにより前記レジストの一部を除去することにより形成されると好ましい。
【００２０】
前記溝は、金型を用いて形成されると好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかる流量調整器の側面断面図である。図２は、図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。
【００２２】
図１において、ブロック状のハウジング１は、平面である上面１ａの中央に開口した袋穴状の収容部１ｂと、上面１ａにおいて左右の両端から中央に向かって延在し収容部１ｂに連通した断面Ｕ字状もしくは凹状の流路溝１ｃとを有している。ハウジング１の素材としては、ガラス基板、シリコン基板、ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙ-ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）などを用いることができる。ガラス基板上に流路溝１ｃを作製する場合は、ガラス基板上に光硬化樹脂または熱硬化樹脂、レジスト類や、ポリミドなどを用いた膜を形成して、露光、現像、エッチングなどを経て微小流路を作製する。そのほかにも、基板本体のウェットエッチング、ＲＩＥによるドライエッチングなどを用いて流路をエッチングするための各種加工手法を用いて作製してもよい。
【００２３】
収容部１ｂは、上面１ａに対して面内方向や垂直方向に微小球２の変位を制限する形状をとってもよいし、面内方向や垂直方向などの任意の方向に微小球２を移動させる構成としてもよい。また、収容部１ｂの内部に複数の微小球（例えば多孔質材からなる）２を配置することによって微粒子のフィルタリングや機械的な破壊用途にも活用することができる。収容部１ｂ又は流路溝１ｃの形成方法については後述する。
【００２４】
ハウジング１の収容部１ｂは内径Ｄ１の例えば円筒状などであり、その内部には、外径Ｄ２（＜Ｄ１）である微小球２が、流路溝１ｃの延在方向に交差する方向に移動可能に配置されている（図２（ａ）参照）。弁部材である微小球２は、流路溝１ｃを通過できない径をもち、強磁性体を含有するものを選択する。これは、微小球２を外部磁場印加によって変位動作させるためである。従って、微小球２としては強磁性材料を含む鉄球などを用いてもよいし、表面を保護するために各種メッキ、蒸着や表面処理加工などを行ってよい。また別な例を示す図２（ｂ）のように、ハウジング１の収容部１ｂは溝幅Ｄ３、深さＤ４（図１（ａ）参照）の適当な形状で、その内部において、外径Ｄ２（＜Ｄ３、＜Ｄ４）の微小球２が、ハウジング１の面内方向（図２（ｂ）で紙面方向）に移動する形態としてもよい。この場合、電磁石４，５はハウジング１の側面に微小球２に対応して取り付けられる。
【００２５】
図１において、ブロック状のハウジング１の上面１ａに密着するようにして、板状の蓋部材３が取り付けられている。蓋部材３により流路溝１ｃの上部が覆われることで、非磁性流体の入口側流路Ａ及び出口側流路Ｂが形成されると共に、収容部１ｂも同時に遮蔽されるため、収容部１ｂは、流路Ａ、Ｂを介してのみ外部と連通することとなる。
【００２６】
蓋部材３は、ハウジング１に対して、接着剤、フッ酸を用いた接合、陽極接合、機械的な固定などをもちいて貼り合わせを行い、流路溝１ｃを外気から孤立させる機能を有するが、高圧流体を流す必要がなければ特に取り付けをする必要はない。また、必要であれば蓋部材３においても、ハウジング１と同様のプロセスを行い流路や収容部を設けることができる。
【００２７】
図１において、微小球２が上下方向に移動する場合、蓋部材３の上面には、収容部１ｂに対向して電磁石４が取り付けられており、また、ハウジング１の下面には、収容部１ｂに対向して電磁石５が取り付けられている。また、図２（ｂ）において、微小球２が面内方向に移動する場合、電磁石４，５を蓋部３の上面、ハウジング１の下面または側面にも取り付けることができる。電磁石４，５が磁力発生手段を構成するが、コイル、永久磁石などを用いて作製することができる。その他に、図示しないセンサーや、流路の導入口、導出口などが取り付けられている。
【００２８】
本実施の形態の動作について説明する。図１，２において、入口側流路Ａは非磁性流体の貯蔵部（不図示）に接続され、出口側流路Ｂは、非磁性流体を供給すべき箇所（不図示）に接続されているものとする。ここで、外部の電源（不図示）から電磁石５に電力を供給し、電磁石４には電力を供給しない状態では、電磁石５のみから磁気が発生し、それにより図１（ａ）に示すように、微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石５（図１で下方）に向かって吸引され、収容部１ｂの底面に接触する。かかる位置が第２の位置になる。このとき、入口側流路Ａ及び出口側流路Ｂは、微小球２により塞がれることがなく、比較的大きな流量で非磁性流体が入口側流路Ａから出口側流路Ｂに流れることとなる。
【００２９】
ここで、外部の電源から電磁石５への電力供給を遮断すると共に、電磁石４に電力を供給すると、電磁石４のみから磁気が発生し、それにより図１（ｂ）に示すように、微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石４（図１で上方）に向かって吸引される。かかる位置が第１の位置になる。このとき、入口側流路Ａ及び出口側流路Ｂの間に微小球２が位置するようになるが、微小球２と収容部１ｂとの間には微小なスキマが存在する。従って、図１（ａ）に示す状態よりも出口側流路Ｂを通過する非磁性流体の流量は少なくなる。
【００３０】
このように収容部１ｂ内の微小球２は、外部磁場の印加によって流路Ａ，Ｂを開閉または流量制御することができるので、微小球２の移動形態に応じて電磁石４，５をハウジング１や蓋部材３の面の任意の位置に固定することができる。収容部１ｂを集積化する場合は、各収容部１ｂ内部に収容された複数の微小球２を同時に動かすために一つあるいは複数の磁力発生手段を用いてもよいし、または例えば磁力発生手段を収容部１ｂの数分だけ複数個置くことによって微小球２を個別に移動する形態としてもよい。
【００３１】
以上のように、本実施の形態の流量調整器は、簡単に作製される極めて簡単な構造であることにより、微細化、複数多段化、高い耐圧構造を極めて安価に実現できる上に、種々の材料で設計可能であるため耐薬品性にも優れている。また、幅広い材料設計が可能であり、微小球２を用いた簡単な形状で弾性支持部が存在しないために耐久信頼性が高く、外部磁場により微小球２を移動するだけで開閉動作が可能であり、微小球２の移動による遮断メカニズムにより流路Ａ，Ｂと微小球２の間の摩擦力が低減されるため、圧力差が大きくても潤滑に安定した流路Ａ、Ｂの開閉および流量調整を円滑に行うことが可能である。
【００３２】
なお、電磁石５は必須の構成ではなく、永久磁石に置き換えてもよい。この場合、例えば電磁石４への電力供給を遮断することで、磁力および自重を用いて微小球２を収容部１ｂ内で下方に移動させることができる。
【００３３】
図３（ａ）は、第２の実施の形態にかかる流量調整器を示す図１と同様な側面断面図であるが、同様な構成については説明を省略する。ハウジング１は、平面である上面１ａの中央に開口した袋穴状の４つの収容部１ｂと、必要があれば置く溝３ａと、上面１ａにおいて左右の両端から中央に向かって延在し４つの収容部１ｂと直列に連通する断面Ｕ字状もしくは凹状または円状などの流路溝１ｃとを有している。各収容部１ｂ内には、図１，２に示す例と同様に強磁性体である微小球２が配置されている。
【００３４】
図３（ａ）において、ブロック状のハウジング１の上面１ａに密着するようにして、板状の蓋部材３が取り付けられている。蓋部材３により流路溝１ｃの上部が覆われることで、非磁性流体の流路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅが形成されると共に、４つの収容部１ｂも同時に遮蔽されるため、内側の２つの収容部１ｂは、流路Ｂ，Ｃ、Ｅにより隣接する収容部１ｂ、１ｂのみに連通し、両端側の２つの収容部１ｂは、流路Ａ，Ｅにより外部と連通し且つ流路Ｂ、Ｄにより隣接する収容部１ｂに連通している。
【００３５】
図３（ａ）において、蓋部材３の上面には、各収容部１ｂに対向して電磁石４が取り付けられており、また蓋部材３の下面には、収容部１ｂの一部を構成する、必要があれば置く溝３ａが形成されている。更に、ハウジング１の下面には、各収容部１ｂに対向して電磁石５が取り付けられている。電磁石４，５が磁力発生手段を構成するが、本実施の形態では、各電磁石４，５は独立して磁力を発生可能となっている。なお、図３（ｂ）に示す変形例のように、ハウジング１の各収容部１ｂを深さ方向より流路Ａ〜Ｅに直交する面内方向に長くすることで、微小球２が、ハウジング１の収容部１ｂに沿って移動する形態としてもよい。この場合、電磁石４，５はハウジング１の側面に微小球２に対応してそれぞれ取り付けられる。
【００３６】
本実施の形態の動作について説明する。図３（ａ）において、入口側流路Ａは非磁性流体の貯蔵部（不図示）に接続され、出口側流路Ｅは、非磁性流体を供給すべき箇所（不図示）に接続されているものとする。ここで、外部の電源（不図示）から全ての電磁石５に電力を供給し、全ての電磁石４には電力を供給しない状態では、全ての電磁石５のみから磁気が発生し、各微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石５（例えば図３（ａ）で下方）に向かって吸引され、収容部１ｂの底面に接触する（第２の位置になる）。このとき、流路Ａ〜Ｅは、いずれの微小球２により塞がれることがなく、比較的大きな流量で非磁性流体が入口側流路Ａから出口側流路Ｅに流れることとなる。
【００３７】
ここで、外部の電源から全ての電磁石５への電力供給を遮断すると共に、全ての電磁石４に電力を供給すると、全ての電磁石４のみから磁気が発生し、それにより各微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石４（例えば図３（ａ）で上方）に向かって吸引され、蓋部材３の下面に接触する（第１の位置になる）。このとき、入口側流路Ａ及び出口側流路Ｅの間に全ての微小球２が位置するようになるため、流路抵抗が増大し、非磁性流体の入口側流路Ａから出口側流路Ｅへの流れが抑制される。
【００３８】
一方、例えば図３（ａ）に示すように、左から２番目の電磁石４と、左から１，３，４番目の電磁石５のみに電力を供給するようにすると、左から２番目の微小球２のみが第１の位置になり、それ以外の３つの微小球２は第２の位置となる。即ち、流路Ａ〜Ｅを塞いでいるのは、１つの微小球２のみであるため、その流路抵抗に応じた流量の非磁性流体が流路を流れるように調整されることとなる。明らかであるが、任意の数及び位置の電磁石４、５にのみ電力を供給するようにすると、流路Ａ〜Ｅを塞ぐ微小球２の数と位置が変化するので、それに応じて流量調整器を通過する非磁性流体の流量が変化することとなる。収容部１ｂと微小球２の数を増大させれば、それに応じて細かい流量調整が可能となる。このように多段配置構造をとることによって、開閉時の流量比を簡易に大きくすることができる
【００３９】
図４（ａ）は、第２の実施の形態の変形例にかかる流量調整器の図３（ａ）と同様な断面図である。図４（ａ）に示す変形例においては、各収容部１ｂは、流路溝１ｃの長手方向及び上面１ａに対して直角でなく傾いて延在している。それ以外の構成に関しては、第２の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。本変形例によれば、収容部１ｂを傾斜を持たせて複数配置することによって、送り流量を増加するポンプ機能を与えることが可能である。なお、図４（ｂ）に示す変形例のように、ハウジング１の各収容部１ｂを深さ方向より流路Ａ〜Ｅに対して傾いた面内方向に長くすることで、微小球２が、ハウジング１の収容部１ｂに沿って移動する形態としてもよい。この場合、電磁石４，５はハウジング１の側面に微小球２に対応してそれぞれ取り付けられる。
【００４０】
図５は、第３の実施の形態にかかる流量調整器の分解斜視図であり、ハウジング１と蓋部材３とが分離した状態で示されている。本実施の形態においては、図１，２の実施の形態に対して、ハウジング１に形成した収容部１ｂを、ハウジング１の上面１ａに平行に且つ流路溝１ｃの長手方向に直角延在するように形成した点が異なっており、それに伴い、電磁石４，５を収容部１ｂに対向してハウジング１の両側面にそれぞれ接着している。なお、電磁石４，５はハウジング１の下面や蓋部材３の上面に取り付けてもよい。収容部１ｂは、その内部に転動自在に微小球２が配置されている。流路溝１ｃは、収容部１ｂに対して電磁石４寄りに接続している。なお、収容部１ｂを複数設けることは任意であるし、収容部１ｂを任意方向に傾けてもよい。
【００４１】
本実施の形態の動作について説明する。図５において、入口側流路Ａは非磁性流体の貯蔵部（不図示）に接続され、出口側流路Ｂは、非磁性流体を供給すべき箇所（不図示）に接続されているものとする。ここで、外部の電源（不図示）から電磁石５に電力を供給し、電磁石４には電力を供給しない状態では、電磁石５のみから磁気が発生し、微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石５（図５で右方）に向かって吸引され、収容部１ｂの右側面に接触する（第２の位置になる）。このとき、流路Ａ、Ｂは微小球２により塞がれることがなく、比較的大きな流量で非磁性流体が入口側流路Ａから出口側流路Ｂに流れることとなる。
【００４２】
一方、外部の電源から電磁石５への電力供給を遮断すると共に、電磁石４に電力を供給すると、電磁石４のみから磁気が発生し、それにより微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石４（図５で左方）に向かって吸引され、収容部１ｂの左側面に接触する（第１の位置になる）。このとき、入口側流路Ａ及び出口側流路Ｂの間に微小球２が位置するようになるため、流路抵抗が増大し、非磁性流体の入口側流路Ａから出口側流路Ｂへの流れが抑制される。
【００４３】
図６（ａ）は、第４の実施の形態にかかる流量調整器の図１と同様な側面断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の構成をVIB-VIB線で切断して矢印方向に見た図である。図６（ｃ）は、第４の実施の形態の変形例において蓋部材３を取り外した状態で示す上面図である。本実施の形態においては、図１，２の実施の形態に対して、蓋部材３の下面に、収容部１ｂの一部を構成する溝３ａを形成している。又、ハウジング１の上面に形成された流路溝１ｃの断面を半円形状とし、それに対向して蓋部材３の下面に形成された流路溝３ｂの断面を半円形状としている。従って、ハウジング１に蓋部材３を接着したときに、流路溝１ｃと流路溝３ｂとで形成される流路Ａ、Ｂは、断面が円形状となっている。それ以外の構成については、図１、２の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。なお、図６（ｃ）のように、ハウジング１の収容部１ｂを深さ方向より流路Ａ、Ｂに直交する面内方向に長くすることで、微小球２が、ハウジング１の収容部１ｂに沿って移動する形態としてもよい。この場合、電磁石４，５はハウジング１の側面に微小球２に対応して取り付けられる。
【００４４】
本実施の形態の動作について説明する。図６において、入口側流路Ａは非磁性流体の貯蔵部（不図示）に接続され、出口側流路Ｂは、非磁性流体を供給すべき箇所（不図示）に接続されているものとする。ここで、外部の電源（不図示）から電磁石５に電力を供給し、電磁石４には電力を供給しない状態では、電磁石５のみから磁気が発生し、微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石５（図６で下方）に向かって吸引され、収容部１ｂの底面に接触する（第２の位置になる）。このとき、流路Ａ、Ｂは微小球２により塞がれることがなく、比較的大きな流量で非磁性流体が入口側流路Ａから出口側流路Ｂに流れることとなる。
【００４５】
一方、外部の電源から電磁石５への電力供給を遮断すると共に、電磁石４に電力を供給すると、電磁石４のみから磁気が発生し、それにより微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石４（図６で上方）に向かって吸引され、蓋部材３の溝３ａの底面に接触する（第１の位置になる）。このとき、図６（ｂ）に示すように、出口側流路Ｂの中心線が微小球２の中心を通るようにすると、第１の位置に移動した微小球２は、出口側流路Ｂの開口部を丁度塞ぐ形となる。これにより、非磁性流体が出口側流路Ｂに流れ出すことが抑制されるので、流量調整器を、完全閉止可能なマイクロバルブとしても機能させることができる。
【００４６】
図７（ａ）は、第５の実施の形態にかかる流量調整器の側面断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の構成をVIIB-VIIB線で切断して矢印方向に見た図であるが、蓋部材３は取り外して示している。図７（ｃ）は、第５の実施の形態の変形例において蓋部材３を取り外した状態で示す上面図である。本実施の形態においては、図１，２の実施の形態に対して、ハウジング１に形成した単一の収容部１ｂの中に複数個の微小球２を配置している。（図７には例として単一の収容部１ｂの中に２列ずつ３個（計６個）の微小球２を、殆どスキマなく配置し図示する）。また、各微小球２に対向して、ハウジング１の下面及び蓋部材３の上面に、各微小球２を同時にまたは独立して動作可能な電磁石４，５をそれぞれ取り付けている。それ以外の構成については、上述した実施の形態と同様であるため説明を省略する。なお、図７（ｃ）のように、ハウジング１の収容部１ｂを深さ方向より流路Ａ、Ｂに直交する面内方向に長くすることで、複数の微小球２が、ハウジング１の収容部１ｂに沿って独立して移動する形態としてもよい。この場合、電磁石４，５はハウジング１の側面に微小球２に対応してそれぞれ取り付けられる。
【００４７】
本実施の形態の動作について説明する。図７（ａ）、（ｂ）において微小球２が上下方向に移動する場合、入口側流路Ａは非磁性流体の貯蔵部（不図示）に接続され、出口側流路Ｂは、非磁性流体を供給すべき箇所（不図示）に接続されているものとする。ここで、外部の電源（不図示）から全ての電磁石５に電力を供給し、全ての電磁石４には電力を供給しない状態では、全ての電磁石５のみから磁気が発生し、各微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石５（図７（ａ）で下方）に向かって吸引され、収容部１ｂの底面に接触する（第２の位置になる）。このとき、流路Ａ、Ｂは、いずれの微小球２により塞がれることがなく、比較的大きな流量で非磁性流体が入口側流路Ａから出口側流路Ｅに流れることとなる。
【００４８】
ここで、外部の電源から全ての電磁石５への電力供給を遮断すると共に、全ての電磁石４に電力を供給すると、全ての電磁石４のみから磁気が発生し、それにより各微小球２は収容部１ｂ内で磁力により電磁石４（図７（ａ）で上方）に向かって吸引され、蓋部材３の下面に接触する（第１の位置になる）。このとき、入口側流路Ａ及び出口側流路Ｂの間に全ての微小球２が位置するようになるため、流路抵抗が増大し、非磁性流体の入口側流路Ａから出口側流路Ｂへの流れが抑制される。
【００４９】
一方、各電磁石４，５への電力の供給状態を調整することで、蓋部材３の下面に接触する微小球２を収容部１ｂ内で任意のパターンで配置することもできる。例えば図７（ｂ）において、第１の位置にある微小球２をハッチングで示し、第２の位置にある微小球２を白抜きで示しているように、蓋部材３の下面に接触する微小球２を千鳥状に配置できる。即ち、流路Ａ、Ｂ間を塞ぐ微小球２の数と位置を任意に変更できるので、それに応じて流量調整器を通過する非磁性流体の流量が変化することとなる。収容部１ｂ内の微小球２の数を増大させれば、それに応じて細かい流量調整が可能となる。このように複数の微小球２を用いて、出口側流路Ｂの開閉を行うことにより、非磁性流体の流れにのって搬送される微粒子などの機械的破壊装置や濾過装置としても機能させることが可能である。なお、微小球２を１つずつ、第１の位置又は第２の位置に移動させれば、流量変化を徐々に行わせる構成も可能となる。図７（ｃ）において、微小球２が面内方向に移動する場合、電磁石４，５はハウジング１の上面や蓋部３の下面に取り付けてもよい。
【００５０】
図８は、第６の実施の形態にかかる流量調整器の上面図であるが、蓋部材は取り外して示している。本実施の形態においては、図１，２の実施の形態に対して、ハウジング１に複数個（例えば５個）の収容部１ｂを形成しており、また入口側流路Ａは入口が１つで中で分岐して５つの収容部１ｂに連通し、更に各収容部１ｂからそれぞれ出口側流路Ｂ〜Ｆがハウジング１の外部まで延在するように、計５本形成されている。各収容部１ｂ内に微小球２が配置されている。また、各微小球２に対向して、ハウジング１の下面及び蓋部材３の上面に、電磁石（不図示）をそれぞれ取り付けている。それ以外の構成については、上述した実施の形態と同様であるため説明を省略する。なお、図６（ｃ）、図７（ｃ）と同様に各微小球２は、ハウジング１の面内方向に移動する形態をとってもよい。
【００５１】
本実施の形態の動作について説明する。図８において微小球２が上下方向に移動する場合、入口側流路Ａは非磁性流体の貯蔵部（不図示）に接続され、出口側流路Ｂ〜Ｆは、非磁性流体を供給すべき箇所（不図示）に接続されているものとする。本実施の形態によれば、各電磁石への電力の供給状態を調整することで、蓋部材の下面に接触する微小球２を任意に設定できる。例えば図８において、第１の位置にある微小球２をハッチングで示し、第２の位置にある微小球２を白抜きで示しているように、出口側流路Ｂ、Ｄ、Ｆは微小球２によりふさぎ、出口側流路Ｃ、Ｅは開放している。これにより、必要な箇所にのみ非磁性流体を供給することができる。このように、一つの入口側流路Ａから侵入した非磁性流体を、出口側流路Ｂ〜Ｆの選択を行うことによって、流量調整器を、流体の流れに乗って搬送される微粒子などの振り分けを行うマイクロバルブとして機能させることができる。微小球２が面内方向に移動する場合、電磁石４，５はハウジング１の上面や蓋部３の下面に取り付けてもよい。
【００５２】
次に、ハウジング１（又は蓋部材３）に微細な流路溝１ｃを形成する方法について説明する。かかる形成方法としては、以下の３つがあげられる。以下、ハウジング又は蓋部材の素材を基板Ｓと呼ぶこととする。
（１）エッチング流路加工法：
これは、基板Ｓに、ウエットエッチングまたはドライエッチングを用いて流路用の微細な溝Ｓｇを加工する方法である。図９に、エッチング流路加工法のプロセスフローを示す。まずエッチング部分以外を保護するためのエッチングマスク層ＥＭとして、クロムなどを真空蒸着やスパックリングなどにより基板Ｓの上面に成膜する（図９（ａ）参照）。次にスピンコートによりレジストＲＳを、エッチングマスク層ＥＭの上面に均一の厚さで被覆する（図９（ｂ）参照）。その後、フォトリソグラフィーやその他の露光技術により、微細な流路溝１ｃの形状にレジストのＲＳパターニング（パターン転写）を行った後（図９（ｃ）参照）、エッチングマスク層ＥＭをエッチングし（図９（ｄ）参照）、基板Ｓのエッチングを行い（図９（ｅ）参照）、最終的には、不要なエッチングマスク層ＥＭとレジストＲＳを除去して、基板Ｓに微細な溝Ｓｇの形成を行う。収容部も同様にして形成できる。
【００５３】
エッチング流路加工法に用いる材料構成の実施例を以下に示す。
（実施例１）基板：石英又はガラス／エッチングマスク：Ｃｒ等／レジスト：フォトレジスト／マスクのエッチング液：Ｃｒエッチャント／基板エッチング：フッ酸溶液（ウエットエッチング）
（実施例２）基板：シリコン／エッチングマスク：ＳｉＯ2＋Ｃｒ等／レジスト：フォトレジスト／マスクのエッチング液：Ｃｒエッチャント（硝酸二アンモニウムセリウム＋過塩素酸）、ＳｉＯ2エッチャント（フッ酸緩衝溶液）／基板エッチング：ＫＯＨ又はＴＭＡＨを用いたウェットエッチング、又はＳＦ6を用いたドライエッチング、プラズマエッチング、ＲＩＥエッチング）
【００５４】
（２）膜材料を用いた流路加工法：
これは、基板に成膜した膜材料に流路用の微細な溝を加工する方法である。図１０、１１に膜材料を用いた流路加工法のプロセスフローを示す。本手法は、感光性の膜材料を露光することで微細な溝を形成できるｉ）感光材料を使用する場合と、ｉｉ)基板上の膜材料をエッチングで加工する非感光性材料を使用した場合などがある。
【００５５】
ｉ）感光材料を使用する場合は、基板Ｓ上にフォトレジストＰＲを塗布し（図１０（ａ）参照）、フォトリソグラフィーやその他の露光技術でパターニングし（図１０（ｂ）参照）、更に現像することで一部のフォトレジストＰＲを除去して微細な溝Ｓｇを形成することができる（図１０（ｃ）参照）。
【００５６】
ｉｉ)非感光材料を使用する場合は、図９を参照して説明したエッチング流路加工法に類似した作製方法を用いる。より具体的には、膜材料ＰＲとエッチングマスクＥＭとレジストＲＳを、この順序で基板Ｓの上面に成膜する（図１１（ａ）参照）。次に、フォトリソグラフィーやその他の露光技術により、微細な溝Ｓｇの形状にレジストのＲＳパターニング（パターン転写）を行った後（図１１（ｂ）参照）、エッチングマスク層ＥＭをエッチングし（図１１（ｃ）参照）、膜材料ＰＲのエッチングを行い（図１１（ｄ）参照）、最終的には、不要なエッチングマスク層ＥＭとレジストＲＳを除去して、膜材料ＰＲに微細な溝Ｓｇの形成を行う。収容部も同様にして形成できる。
【００５７】
膜材料を用いた流路加工法に用いる材料構成の実施例を以下に示す。なお、基板としてはガラス又はシリコンを用いることができるが、材料を特定せず非磁性材料であれば様々なものが使用できる。特に、膜材料にシリコンを用いる場合は、ＳＯＩ基板を使用することもできる。
【００５８】
（感光材料を使用する実施例１）膜材料：光硬化樹脂、厚膜レジスト又は感光性ポリミド
（非感光材料を使用する実施例２）膜材料：ＳｉＯ2ガラス等／レジスト：フォトレジスト／エッチングマスク：Ｃｒ等／膜のエッチング：フッ酸溶液（ウエットエッチング）
（非感光材料を使用する実施例３）膜材料：ポリミド等／レジスト：フォトレジスト／エッチングマスク：Ｃｒ、ＳｉＯ2等／膜のエッチング：ＫＯＨ又はＴＭＡＨを用いたウェットエッチング）
（非感光材料を使用する実施例４）膜材料：レジスト等／レジスト：フォトレジスト／エッチングマスク：ＳｉＯ2等／膜のエッチング：Ｏ2ガスを用いたドライエッチング
（非感光材料を使用する実施例５）膜材料：シリコン等／レジスト：フォトレジスト／エッチングマスク：Ｃｒ、ＳｉＯ2等／膜のエッチング：ＫＯＨ又はＴＭＡＨを用いたウェットエッチング、又はＳＦ6を用いたドライエッチング
【００５９】
なお、ＳｉＯ2エッチャントはフッ酸緩衝溶液であり、シリコン基板のエッチングは、ＫＯＨ又はＴＭＡＨを用いたウェットエッチング、又はＳＦ6を用いたドライエッチングが好適である。膜材料を用いた流路加工法においては、流路の深さが膜材料の膜厚より浅く加工されていてもよい。
【００６０】
（３）金型を用いた成形による流路加工法：
これは、流路用の微細な溝のパターンを転写するために準備した金型を利用して、金型の表面形状に相反する形状を転写することで流路用の微細な溝を作製する手法であるが、これは大量生産に適している。ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙ‐ｄｉｍｅｔｈｙlｓｉｌｏｘａｎｅ）やシリコンゴムなどを金型の上で成型する成型手法とプラスチックに圧力をかけて金型に押しつけて成形する成形手法によってもよい。
【００６１】
図１２は、金型からＰＤＭＳに微細な溝を形成するプロセスフローを示す図である。図１２（ａ）において、微細な溝に対応する凸部を有する金型Ｍを製造する。続いて、図１２（ｂ）に示すように、金型Ｍの凸部によりＰＤＭＳ上に微細溝Ｓｇを転写形成する。更に図１２（ｃ）に示すように、金型ＭよりＰＤＭＳを離型させることで、微細溝Ｓｇを有するハウジング等を形成できる。
【００６２】
図１３は、金型から樹脂に微細な溝を形成するプロセスフローを示す図である。図１３（ａ）において、微細な溝に対応する凸部を有する金型Ｍを製造する。続いて、図１３（ｂ）に示すように、金型Ｍの凸部上に溶融した樹脂ＰＬをかぶせることで、微細溝Ｓｇを転写形成する。更に樹脂ＰＬが固化した後に、図１３（ｃ）に示すように、金型Ｍより樹脂ＰＬを離型させることで、微細溝Ｓｇを有するハウジング等を形成できる。
【００６３】
更に、ハウジングと蓋部材の接着は、基本的には接着剤や光硬化樹脂、熱硬化樹脂を用いることが可能ではあるが、耐圧性をよくするために、石英やシリコンの直接接合、ガラスとシリコンの陽極接合、ガラス間ではフッ酸を用いたフッ酸接合、場合によっては機械的な固定手法などの種々の接合手法を用いてもよい。
【００６４】
以上述べたように、本実施の形態によれば、外部磁場を用いて微小球の移動により流路の開閉または流量調整を行うことが可能であるために、簡単な構造で、耐圧力性に優れたバルブを実現できることから、粘度の高い油の輸送や、高圧の流れを用いた流体の搬送にも使用できる。また、簡単な構造であるために、微小化や集積化に極めて優れた構造であり、特に直列に配置することによってバルブとしての開閉機能を向上でき、個別に動作させることで流量調整機能や、マイクロポンプとして機能させることが可能である。さらに外部磁場を制御して複数チャネルを組み合わせて流路の開閉を行うことで、流体中に流した磁性体以外の様々な微粒子の搬送、例えば細胞やＤＮＡなどの生体物質を通過しても細胞が破壊されることがなく、効率的な搬送経路の選択を行うことも可能である。その他、光スイッチや微粒子・細胞などの機械的な破壊、微小物体のフィルタとしても応用できる。以上のように、微小球の集積化と配置設計によって多機能な応用の実現や生産コストの削減を図ることができる。
【００６５】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本実施の形態にかかる流量調整器の側面断面図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図であり、図２（ｂ）は、別な例にかかる流量調整器の図２（ａ）と同様な図である。
【図３】図３（ａ）は、第２の実施の形態にかかる流量調整器を示す図１と同様な側面断面図であり、図３（ｂ）は、第２の実施の形態の変形例において蓋部材３を取り外した状態で示す上面図である。
【図４】図４（ａ）は、第２の実施の形態の変形例にかかる流量調整器の図３と同様な断面図であり、図４（ｂ）は、更に別な変形例において蓋部材３を取り外した状態で示す上面図である。
【図５】第３の実施の形態にかかる流量調整器の分解斜視図である。
【図６】図６（ａ）は、第４の実施の形態にかかる流量調整器の図１と同様な側面断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の構成をVIB-VIB線で切断して矢印方向に見た図である。図６（ｃ）は、第４の実施の形態の変形例において蓋部材３を取り外した状態で示す上面図である。
【図７】図７（ａ）は、第４の実施の形態にかかる流量調整器の側面断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の構成をVIIB-VIIB線で切断して矢印方向に見た図である。図７（ｃ）は、第５の実施の形態の変形例において蓋部材３を取り外した状態で示す上面図である。
【図８】第５の実施の形態にかかる流量調整器の上面図である。
【図９】エッチング流路加工法のプロセスフローを示す図である。
【図１０】感光性の膜材料を用いた流路加工法のプロセスフローを示す図である。
【図１１】非感光性の膜材料を用いた流路加工法のプロセスフローを示す図である。
【図１２】金型からＰＤＭＳに微細な溝を形成するプロセスフローを示す図である。
【図１３】金型から樹脂に微細な溝を形成するプロセスフローを示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１ ハウジング
１ａ 上面
１ｂ 収容部
１ｃ 流路溝
２ 微小球
３ 蓋部材
３ａ 溝
３ｂ 流路溝
４，５ 電磁石
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ、Ｆ 流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性流体の流路内において、第１の位置と第２の位置との間で移動可能となっている磁性体の弁部材と、
前記弁部材を、少なくとも前記第１の位置から前記第２の位置へと移動させるように磁力を発生する磁力発生手段とを有し、
前記弁部材が第１の位置に移動したときに、前記流路内を流れる非磁性流体の流量は、前記弁部材が第２の位置に移動したときに、前記流路内を流れる非磁性流体の流量よりも少ないことを特徴とする流量調整器。
【請求項２】
前記磁力発生手段は、前記弁部材を前記第１の位置から前記第２の位置へと移動させるか、又は前記弁部材を前記第２の位置から前記第１の位置へと移動させるように、選択的に磁力を発生させることを特徴とする請求項１に記載の流量調整器。
【請求項３】
前記弁部材は複数設けられ、前記磁力発生手段は、任意の前記弁部材が移動するように磁力を発生することを特徴とする請求項１又は２に記載の流量調整器。
【請求項４】
前記弁部材の収容部及び前記収容部に連通する溝を備えたハウジングと、前記収容部及び前記溝を遮蔽する蓋部材とが設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流量調整器。
【請求項５】
前記蓋部材には、前記収容部の少なくとも一部が形成されることを特徴とする請求項４に記載の流量調整器。
【請求項６】
前記蓋部材は板材であることを特徴とする請求項４又は５に記載の流量調整器。
【請求項７】
前記溝は、前記ハウジングの素材にエッチングマスクとレジストとをこの順序で形成した後に、露光と現像とにより前記レジストの一部を除去し、更にエッチング処理により前記レジストと前記エッチングマスクとを除去することにより形成されることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の流量調整器。
【請求項８】
前記溝は、前記ハウジングの素材に膜材料とエッチングマスクとレジストとをこの順序で形成した後に、露光と現像により前記レジストの一部を除去し、更にエッチング処理により前記レジストと前記エッチングマスクと前記膜材料の一部とを除去することにより形成されることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の流量調整器。
【請求項９】
前記溝は、前記ハウジングの素材にレジストを形成した後に、露光と現像とにより前記レジストの一部を除去することにより形成されることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の流量調整器。
【請求項１０】
前記溝は、金型を用いて形成されることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の流量調整器。
【請求項１】
非磁性流体の流路内において、第１の位置と第２の位置との間で移動可能となっている磁性体の弁部材と、
前記弁部材を、少なくとも前記第１の位置から前記第２の位置へと移動させるように磁力を発生する磁力発生手段とを有し、
前記弁部材が第１の位置に移動したときに、前記流路内を流れる非磁性流体の流量は、前記弁部材が第２の位置に移動したときに、前記流路内を流れる非磁性流体の流量よりも少ないことを特徴とする流量調整器。
【請求項２】
前記磁力発生手段は、前記弁部材を前記第１の位置から前記第２の位置へと移動させるか、又は前記弁部材を前記第２の位置から前記第１の位置へと移動させるように、選択的に磁力を発生させることを特徴とする請求項１に記載の流量調整器。
【請求項３】
前記弁部材は複数設けられ、前記磁力発生手段は、任意の前記弁部材が移動するように磁力を発生することを特徴とする請求項１又は２に記載の流量調整器。
【請求項４】
前記弁部材の収容部及び前記収容部に連通する溝を備えたハウジングと、前記収容部及び前記溝を遮蔽する蓋部材とが設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流量調整器。
【請求項５】
前記蓋部材には、前記収容部の少なくとも一部が形成されることを特徴とする請求項４に記載の流量調整器。
【請求項６】
前記蓋部材は板材であることを特徴とする請求項４又は５に記載の流量調整器。
【請求項７】
前記溝は、前記ハウジングの素材にエッチングマスクとレジストとをこの順序で形成した後に、露光と現像とにより前記レジストの一部を除去し、更にエッチング処理により前記レジストと前記エッチングマスクとを除去することにより形成されることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の流量調整器。
【請求項８】
前記溝は、前記ハウジングの素材に膜材料とエッチングマスクとレジストとをこの順序で形成した後に、露光と現像により前記レジストの一部を除去し、更にエッチング処理により前記レジストと前記エッチングマスクと前記膜材料の一部とを除去することにより形成されることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の流量調整器。
【請求項９】
前記溝は、前記ハウジングの素材にレジストを形成した後に、露光と現像とにより前記レジストの一部を除去することにより形成されることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の流量調整器。
【請求項１０】
前記溝は、金型を用いて形成されることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の流量調整器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−２５５４３３（Ｐ２００７−２５５４３３Ａ）
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７６６１２（Ｐ２００６−７６６１２）
【出願日】平成１８年３月２０日（２００６．３．２０）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月４日（２００７．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２０日（２００６．３．２０）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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