試料導入マイクロデバイス
【課題】必要なタイミングで必要な量だけ試料を導入することが可能な試料導入マイクロデバイスを提供する。
【解決手段】基板１７ａに形成された加圧室１の入口側には、微小流路１２ａを形成するとともに、加圧室１ａの出口側には、微小流路１３ａを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ａを形成し、微小流路１３ａには、分岐点１９ａを介して分岐した微小流路１８ａを接続し、蓋板１６ａには、微小流路１８ａの先端に接続された排出口２０ａを形成するとともに、蓋板１６ａ上には、蓋板１６ａを振動板として駆動するための圧電素子１０ａを加圧室１ａ上に位置するように配置する。
【解決手段】基板１７ａに形成された加圧室１の入口側には、微小流路１２ａを形成するとともに、加圧室１ａの出口側には、微小流路１３ａを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ａを形成し、微小流路１３ａには、分岐点１９ａを介して分岐した微小流路１８ａを接続し、蓋板１６ａには、微小流路１８ａの先端に接続された排出口２０ａを形成するとともに、蓋板１６ａ上には、蓋板１６ａを振動板として駆動するための圧電素子１０ａを加圧室１ａ上に位置するように配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料導入マイクロデバイスに関し、特に、基板上に形成された微小流路を用いて微小容量の液体の混合、反応、分離、精製、抽出、分析などを行うマイクロポンプ、マイクロミクサ、マイクロリアクタ、μＴＡＳ（マイクロトータルアナリシスシステム）などに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシニング技術を用いてシリコンやガラス、プラスチックなどの基板上に微小流路（マイクロチャンネル）を形成し、その微小空間を各種の液体の混合、反応、分離、精製、抽出、分析などの場に利用する試みが注目されている。これらの分野に供されるデバイスは、その使用目的に応じて、マイクロポンプ、マイクロミクサ、マイクロリアクタ、μＴＡＳ（マイクロトータルアナリシスシステム）などと呼ばれている。
このような分野では、反応流路の等価直径（流路の断面を円に換算したときの直径）が５００μｍより小さいものが微小流路とされている。そして、このような微小流路のように、流路のスケールが微小化すると、単位体積当たりの表面積が非常に大きくなるという特徴がある。
【０００３】
そして、このような特徴によって、微小流路を流れる液体の温度、圧力、濃度などの勾配が大きくなるため、熱伝導や物質移動拡散などの効率が向上し、反応系での反応時間を短縮させたり、反応速度を向上させたりすることができる。さらに、微小量の反応で適量合成が可能となる上に、高い再現性も得ることができ、薬品や触媒試薬類などの使用量を大幅に低減することが可能となることから、経済的にも有効である。
このような分野に供される試料導入マイクロデバイスの構造に関する従来技術として、以下に示すように、圧電素子を用いたデフューザ型のマイクロポンプの形態を持つ試料導入マイクロデバイスや、インクジェット技術を応用したディスペンサ型の形態を持つ試料導入マイクロデバイスが提案されている。
【０００４】
図５（ａ）は、従来のデフューザ型のマイクロポンプの形態を持つ試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の試料導入マイクロデバイスをＡ−Ａ´線で切断して示す断面図である。
図５において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｅおよび基板１７ｅが設けられ、蓋板１６ｅは基板１７ｅ上に固定されている。
ここで、基板１７ｅには、加圧室１ｅが形成されるとともに、加圧室１ｅの入口側には、デフューザ２ｅを有する微小流路４ｅが形成され、加圧室１ｅの出口側には、デフューザ３ｅを有する微小流路５ｅが形成されている。
【０００５】
また、蓋板１６ｅには、微小流路４ｅの一端に接続された供給口７ｅおよび微小流路５ｅの一端に接続された流出口９ｅが形成され、蓋板１６ｅ上には、蓋板１６ｅを振動板１１ｅとして駆動するための圧電素子１０ｅが加圧室１ｅ上に位置するように配置されている。そして、供給口７ｅには、液体の供給源６ｅに接続され、流出口９ｅには、液体の導入先８ｅに接続されている。
そして、圧電素子１０ｅを動作させて振動板１１ｅを振動させると、加圧室１ｅの容積が変化し、加圧室１ｅが膨張することで流体を吸い込ませ、加圧室１ｅが収縮することで流体を吐出させるという動作を繰り返すことで送液することができる。また、振動板１１ｅにより生じる流れが流路形状の抵抗差によって変化することを利用して、狭い方から広い方への流れを作り出すことができる。
【０００６】
図６（ａ）は、従来のディスペンサ型の形態を持つ試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の試料導入マイクロデバイスをＢ−Ｂ´線で切断して示す断面図である。
図６において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｆおよび基板１７ｆが設けられ、蓋板１６ｆは基板１７ｆ上に固定されている。
ここで、基板１７ｆには、加圧室１ｆが形成されるとともに、加圧室１ｆの入口側には、微小流路１２ｆが形成されている。また、加圧室１ｆの出口側には、微小流路１３ｆを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ｆが形成され、ノズル形状流路１４ｆの先端にはノズル穴１５ｆが設けられ、ノズル穴１５ｆにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。
【０００７】
また、蓋板１６ｆには、微小流路１２ｆの一端に接続された供給口７ｆが形成され、蓋板１６ｆ上には、蓋板１６ｆを振動板１１ｆとして駆動するための圧電素子１０ｆが加圧室１ｆ上に位置するように配置されている。そして、供給口７ｆには、液体の供給源６ｆに接続されている。
そして、圧電素子１０ｆを動作させて振動板１１ｆを振動させると、加圧室１ｆの容積が変化し、加圧室１ｆが膨張することで流体を吸い込ませ、加圧室１ｆが収縮することで流体を吐出させるという動作を繰り返すことで送液することができる。そして、振動板１１ｆの変位により送液された液体は、ノズル形状流路１４ｆの毛細管力を利用してノズル穴１５ｆに供給されながら、ノズル穴１５ｆから微小の液滴状に押し出すことができる。
【０００８】
また、例えば、特許文献１には、微量の分注量と吐出流量とを確保できるようにするために、ノズル板、通路板、キャビティ板および振動板を積層接合して液体の搬送流路を形成する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１１６３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の試料導入マイクロデバイスでは、試料導入マイクロデバイス内に導入された余剰分の試料の排出先がない。このため、従来の試料導入マイクロデバイスを分析装置の試料の導入に適用した場合、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給されると、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流の検出器に試料を導入することができないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、必要なタイミングで必要な量だけ試料を導入することが可能な試料導入マイクロデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の試料導入マイクロデバイスによれば、液体を供給する第１供給口と、前記第１供給口から供給された液体を輸送するように基板に形成された分岐点を有する第１微小流路と、前記第１微小流路の分岐先の一方に接続され、必要なタイミングで必要な量だけ液体を吐出することが可能な流出口と、前記第１微小流路の分岐先の他方に接続された過剰分の液体を排出する排出口とを備えることを特徴とする。
これにより、試料導入マイクロデバイス内に導入された余剰分の試料を排出口から排出させることができ、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流に試料を導入することができる。
【００１１】
また、請求項２記載の試料導入マイクロデバイスによれば、前記排出口に接続された前記分岐先の第１微小流路の流路抵抗は、前記流出口に接続された前記分岐先の第１微小流路の流路抵抗よりも小さいことを特徴とする。
これにより、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、試料が流出口側に送液されないようにして、試料を排出口側に送液させることができ、試料導入マイクロデバイス内に導入された余剰分の試料を排出口から排出させることができる。
【００１２】
また、請求項３記載の試料導入マイクロデバイスによれば、前記分岐点よりも上流側の前記第１微小流路の一部の区間に配置されるようにして前記基板に形成された第１加圧室と、前記第１加圧室上に配置された第１振動板と、前記第１振動板を振動させる第１圧電素子とを備えることを特徴とする。
これにより、第１圧電素子の駆動を停止することで、試料を排出口側に送液させることが可能となるとともに、第１圧電素子の駆動することで、試料を流出口側に送液させることができ、必要なタイミングで必要な量だけ試料を導入することが可能となる。
【００１３】
また、請求項４記載の試料導入マイクロデバイスによれば、前記第１圧電素子を駆動しない場合には、前記第１微小流路の上流から送液される液体が前記排出口から排出され、前記第１圧電素子を駆動する場合には、前記第１微小流路の上流から送液される液体が前記流出口から吐出されることを特徴とする。
これにより、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、試料導入マイクロデバイス内に導入された余剰分の試料を排出口から排出させることができ、試料導入マイクロデバイスの下流側の導入先に必要なタイミングで必要な量だけ試料を導入することが可能となる。
【００１４】
また、請求項５記載の試料導入マイクロデバイスによれば、前記流出口は、液体と気体との界面が形成されるように構成されたノズル穴であり、前記流出口に接続された前記分岐先の第１微小流路は、前記ノズル穴の接続された毛細管効果を持つノズル形状流路であることを特徴とする。
これにより、第１圧電素子の駆動することで、試料を流出口側に送液させることができ、必要なタイミングで必要な量だけノズル穴から微小の液滴状に試料を押し出すことができる。
【００１５】
また、請求項６記載の試料導入マイクロデバイスによれば、前記排出口に接続されたバルブをさらに備え、前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記流出口から吐出させる時に前記バルブを閉じることを特徴とする。
これにより、試料導入マイクロデバイスに過剰分の液体を排出する排出口を設けた場合においても、流出口から試料を吐出させる時に排出口から試料が排出されるのを防止することができる。このため、第１微小流路の上流から送液される試料が排出口から漏れ出すことを防止しつつ、第１微小流路の上流から送液される試料の全量を流出口から吐出させることができ、試料が無駄に使用されるのを防止しつつ、必要なタイミングで必要な量だけ試料を導入することが可能となる。
【００１６】
また、請求項７記載の試料導入マイクロデバイスによれば、前記分岐点と前記排出口との間の前記第１微小流路の一部の区間に配置されるようにして前記基板に形成された第２加圧室と、前記第２加圧室上に配置された第２振動板と、前記第２振動板を振動させる第２圧電素子とを備え、前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記排出口から排出させる時には前記第２圧電素子を駆動し、前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記流出口から吐出させる時には前記第２圧電素子を駆動しないことを特徴とする。
【００１７】
これにより、第２圧電素子を駆動することで、第１微小流路の上流から送液される試料を強制的に排出口に導くことが可能となるとともに、第１圧電素子を駆動することで、第１微小流路の上流から送液される試料を強制的に流出口に導くことが可能となる。このため、第１微小流路の上流から送液される試料が流出口から漏れ出すのを防止しつつ、過剰分の試料を排出口から排出することが可能となり、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流に試料を導入することができる。
【００１８】
また、請求項８記載の試料導入マイクロデバイスによれば、液体を供給する第２供給口と、前記第２供給口から供給された液体を輸送するように前記基板に形成され、前記第１微小流路の分岐点と排出口との間に合流点を有する第２微小流路と、前記第２供給口と前記合流点との間の前記第２微小流路の一部の区間に配置されるようにして前記基板に形成された第３加圧室と、前記第３加圧室上に配置された第３振動板と、前記第３振動板を振動させる第３圧電素子とを備え、前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記排出口から排出させる時には前記第３圧電素子を駆動し、前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記流出口から吐出させる時には前記第３圧電素子を駆動しないことを特徴とする。
【００１９】
これにより、第３圧電素子を駆動することで、第１微小流路の上流から送液される試料を強制的に排出口に導くことが可能となるとともに、第３加圧室の配置位置を第１微小流路の分岐点の下流とする制約をなくすことができる。このため、第１微小流路の上流から送液される試料が流出口から漏れ出すのを防止しつつ、過剰分の試料を排出口から排出することが可能となり、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流に試料を導入することが可能となるとともに、第３加圧室の配置位置の選択範囲を広げることが可能となり、多様な形状のデバイス設計に対応することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、試料導入マイクロデバイス内に導入された余剰分の試料を排出口から排出させることができ、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流に試料を導入することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係る試料導入マイクロデバイスについて図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る試料導入マイクロデバイスを層方向に分解して示す平面図、図１（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
図１において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ａおよび基板１７ａが設けられ、蓋板１６ａは基板１７ａ上に固定されている。なお、蓋板１６ａおよび基板１７ａの材質としては、例えば、シリコン、ガラス、プラスチックまたはステンレス鋼などを用いることができる。
【００２２】
ここで、基板１７ａには、加圧室１ａが形成されるとともに、加圧室１ａの入口側には、微小流路１２ａが形成されている。また、加圧室１ａの出口側には、微小流路１３ａを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ａが形成され、ノズル形状流路１４ａの先端にはノズル穴１５ａが設けられ、ノズル穴１５ａにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。また、微小流路１３ａには、分岐点１９ａを介して分岐した微小流路１８ａが接続されている。
【００２３】
なお、加圧室１ａ、微小流路１２ａ、１８ａおよびノズル形状流路１４ａを基板１７ａに形成する方法としては、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いることができる。
また、蓋板１６ａには、微小流路１２ａの一端に接続された供給口７ａおよび微小流路１８ａの先端に接続された排出口２０ａが形成され、蓋板１６ａ上には、蓋板１６ａを振動板として駆動するための圧電素子１０ａが加圧室１ａ上に位置するように配置されている。
【００２４】
ここで、排出口２０ａは、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料を排出することができ、ノズル穴１５ａは、必要なタイミングで必要な量だけ試料を吐出することができる。
そして、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料を排出口２０ａから排出させる時に、ノズル穴１５ａから試料が漏れ出すのを抑制するために、排出口２０ａに接続された微小流路１８ａの流路抵抗は、ノズル穴１５ａに接続されたノズル形状流路１４ａの流路抵抗よりも小さいことが好ましい。あるいは、ノズル形状流路１４ａの表面にフッ素加工などを施すことにより、ノズル形状流路１４ａの表面に撥水性を持たせるようにしてもよい。
【００２５】
そして、圧電素子１０ａの動作を停止させた状態で供給口７ａから試料を供給すると、微小流路１２ａ→加圧室１ａ→微小流路１３ａ→微小流路１８ａという経路で試料が送液され、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料が排出口２０ａから排出される。
そして、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料が排出口２０ａから排出されると、供給口７ａから試料を供給しながら、圧電素子１０ａを動作させる。すると、微小流路１２ａ→加圧室１ａ→微小流路１３ａ→ノズル形状流路１４ａという経路で試料の一部または全量が送液され、ノズル形状流路１４ａの毛細管力を利用してノズル穴１５ａに試料を供給させながら、ノズル穴１５ａから微小の液滴状に試料を押し出すことができる。
【００２６】
これにより、試料導入マイクロデバイス内に導入された余剰分の試料を排出口２０ａから排出させることができ、試料導入マイクロデバイスの供給口７ａから断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけノズル穴１５ａを介して試料を導入することができる。
なお、ノズル穴１５ａから試料を吐出させる時に排出口２０ａから試料が排出されるのを防止するために、排出口２０ａにバルブを設けるようにしてもよい。ここで、排出口２０ａにバルブを設ける方法としては、排出口２０ａに配管を介してバルブを接続するようにしてもよいし、排出口２０ａとバルブとを中継する配管を用いることなく、蓋板１６ａにバルブを搭載し、排出口２０ａにバルブを直結するようにしてもよい。
【００２７】
そして、排出口２０ａから試料を排出させる時にはバルブを開き、ノズル穴１５ａから試料を吐出させる時にはバルブを閉じることができる。これにより、試料導入マイクロデバイスに過剰分の液体を排出する排出口２０ａを設けた場合においても、ノズル穴１５ａから試料を吐出させる時に排出口２０ａから試料が排出されるのを防止することができ、供給口７ａから供給される試料の全量をノズル穴１５ａから吐出させることができる。また、排出口２０ａにバルブを直結することにより、デッドボリュームを低減することができる。
【００２８】
図２は、本発明の第２実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
図２において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｂおよび基板１７ｂが設けられ、蓋板１６ｂは基板１７ｂ上に固定されている。
ここで、基板１７ｂには、加圧室１ｂが形成されるとともに、加圧室１ｂの入口側には、微小流路１２ｂが形成されている。また、加圧室１ｂの出口側には、微小流路１３ｂを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ｂが形成され、ノズル形状流路１４ｂの先端にはノズル穴１５ｂが設けられ、ノズル穴１５ｂにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。また、微小流路１３ｂには、分岐点１９ｂを介して分岐したＳ字状の微小流路１８ｂが接続され、微小流路１８ｂの一部の区間には加圧室２１ｂが形成されている。ここで、微小流路１８ｂにおいて、加圧室２１ｂの入口側にはデフューザ２２ｂが形成され、加圧室２１ｂの出口側にはデフューザ２３ｂが形成されている。
【００２９】
また、蓋板１６ｂには、微小流路１２ｂの一端に接続された供給口７ｂおよび微小流路１８ｂの先端に接続された排出口２０ｂが形成され、蓋板１６ｂ上には、蓋板１６ｂを振動板として駆動するための圧電素子１０ｂが加圧室１ｂ上に位置するように配置されるとともに、蓋板１６ｂを振動板として駆動するための圧電素子２４ｂが加圧室２１ｂ上に位置するように配置されている。
【００３０】
ここで、排出口２０ｂは、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料を排出することができ、ノズル穴１５ｂは、必要なタイミングで必要な量だけ試料を吐出することができる。
そして、圧電素子１０ｂの動作を停止させるとともに、圧電素子２４ｂを動作させながら、供給口７ｂから試料を供給すると、微小流路１２ｂ→加圧室１ｂ→微小流路１３ｂ→微小流路１８ｂ→デフューザ２２ｂ→加圧室２１ｂ→デフューザ２３ｂ→微小流路１８ｂ→という経路で試料が送液され、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料が排出口２０ｂから排出される。
【００３１】
そして、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料が排出口２０ｂから排出されると、供給口７ｂから試料を供給しながら、圧電素子１０ｂを動作させるとともに、圧電素子２４ｂの動作を停止させる。すると、微小流路１２ｂ→加圧室１ｂ→微小流路１３ｂ→ノズル形状流路１４ｂという経路で試料の一部または全量が送液され、ノズル形状流路１４ｂの毛細管力を利用してノズル穴１５ｂに試料を供給させながら、ノズル穴１５ｂから微小の液滴状に試料を押し出すことができる。
【００３２】
これにより、圧電素子２４ｂを駆動することで、微小流路１２ｂの上流から送液される試料を強制的に排出口２０ｂに導くことが可能となるとともに、圧電素子１０ｂを駆動することで、微小流路１２ｂの上流から送液される試料を強制的にノズル穴１５ｂに導くことが可能となる。このため、微小流路１２ｂの上流から送液される試料がノズル穴１５ｂから漏れ出すのを防止しつつ、過剰分の試料を排出口２０ｂから排出することが可能となり、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流に試料を導入することができる。
【００３３】
図３は、本発明の第３実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
図３において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｃおよび基板１７ｃが設けられ、蓋板１６ｃは基板１７ｃ上に固定されている。
ここで、基板１７ｃには、加圧室１ｃが形成されるとともに、加圧室１ｃの入口側には、微小流路１２ｃが形成されている。また、加圧室１ｃの出口側には、微小流路１３ｃを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ｃが形成され、ノズル形状流路１４ｃの先端にはノズル穴１５ｃが設けられ、ノズル穴１５ｃにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。また、微小流路１３ｃには、分岐点１９ｃを介して分岐したＳ字状の微小流路１８ｃが接続され、微小流路１８ｃの一部の区間には加圧室２１ｃが形成されるとともに、微小流路１８ｃには毛細管効果を持つノズル形状流路２７ｃが接続されている。そして、ノズル形状流路２７ｃの先端にはノズル穴２５ｃが設けられ、ノズル穴２５ｃにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。
【００３４】
また、蓋板１６ｃには、微小流路１２ｃの一端に接続された供給口７ｃが形成され、蓋板１６ｃ上には、蓋板１６ｃを振動板として駆動するための圧電素子１０ｃが加圧室１ｃ上に位置するように配置されるとともに、蓋板１６ｃを振動板として駆動するための圧電素子２４ｃが加圧室２１ｃ上に位置するように配置されている。
ここで、ノズル穴２５ｃは、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料を排出することができ、ノズル穴１５ｃは、必要なタイミングで必要な量だけ試料を吐出することができる。
【００３５】
そして、圧電素子１０ｃの動作を停止させるとともに、圧電素子２４ｃを動作させながら、供給口７ｃから試料を供給すると、微小流路１２ｃ→加圧室１ｃ→微小流路１３ｃ→微小流路１８ｃ→加圧室２１ｃ→ノズル形状流路２７ｃという経路で試料が送液され、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料がノズル形状流路２７ｃの毛細管力を利用してノズル穴２５ｃに供給されながら、ノズル穴２５ｃから排出される。
【００３６】
そして、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料がノズル穴２５ｃから排出されると、供給口７ｃから試料を供給しながら、圧電素子１０ｃを動作させるとともに、圧電素子２４ｃの動作を停止させる。すると、微小流路１２ｃ→加圧室１ｃ→微小流路１３ｃ→ノズル形状流路１４ｃという経路で試料の一部または全量が送液され、ノズル形状流路１４ｃの毛細管力を利用してノズル穴１５ｃに試料を供給させながら、ノズル穴１５ｃから微小の液滴状に試料を押し出すことができる。
【００３７】
これにより、圧電素子２４ｃを駆動することで、微小流路１２ｃの上流から送液される試料を強制的にノズル穴１５ｃに導くことが可能となるとともに、圧電素子１０ｃを駆動することで、微小流路１２ｃの上流から送液される試料を強制的にノズル穴１５ｃに導くことが可能となる。このため、微小流路１２ｃの上流から送液される試料がノズル穴１５ｃから漏れ出すのを防止しつつ、過剰分の試料をノズル穴２５ｃから排出することが可能となり、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流に試料を導入することができる。
【００３８】
図４は、本発明の第４実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
図４において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｄおよび基板１７ｄが設けられ、蓋板１６ｄは基板１７ｄ上に固定されている。
ここで、基板１７ｄには、加圧室１ｄが形成されるとともに、加圧室１ｄの入口側には、微小流路１２ｄが形成されている。また、加圧室１ｄの出口側には、微小流路１３ｄを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ｄが形成され、ノズル形状流路１４ｄの先端にはノズル穴１５ｄが設けられ、ノズル穴１５ｄにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。
【００３９】
また、基板１７ｄには、加圧室３０ｄが形成されるとともに、加圧室３０ｄの入口側には、微小流路２９ｄが形成されている。また、加圧室３０ｄの出口側には、微小流路３１ｄを介して毛細管効果を持つノズル形状流路３２ｄが形成され、ノズル形状流路３２ｄの先端にはノズル穴３３ｄが設けられ、ノズル穴３３ｄにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。
また、微小流路１３ｄには、分岐点１９ｄを介して分岐した微小流路１８ｄが接続され、微小流路１８ｄは、分岐点３４ｄを介してノズル形状流路３２ｄの途中に接続されている。
【００４０】
また、蓋板１６ｄには、微小流路１２ｄの一端に接続された供給口７ｄおよび微小流路２９ｄの一端に接続された供給口２８ｄが形成され、蓋板１６ｄ上には、蓋板１６ｄを振動板として駆動するための圧電素子１０ｄが加圧室１ｄ上に位置するように配置されるとともに、蓋板１６ｄを振動板として駆動するための圧電素子３５ｄが加圧室３０ｄ上に位置するように配置されている。
ここで、ノズル穴３３ｄは、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料を排出することができ、ノズル穴１５ｄは、必要なタイミングで必要な量だけ試料を吐出することができる。また、供給口７ｄは、試料導入マイクロデバイス内に試料を導入するために用いることができ、供給口２８ｄは、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料を排出させるための呼び水となる液体を導入するために用いることができる。
【００４１】
そして、圧電素子１０ｄの動作を停止させるとともに、圧電素子３５ｄを動作させながら、供給口７ｄから試料を供給しつつ、供給口２８ｄから呼び水となる液体を供給すると、微小流路１２ｄ→加圧室１ｄ→微小流路１３ｄ→微小流路１８ｄ→加圧室３０ｄ→ノズル形状流路３２ｄという経路で試料が送液されるとともに、微小流路２９ｄ→加圧室３０ｄ→微小流路３１ｄ→ノズル形状流路３２ｄという経路で呼び水となる液体が送液され、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料がノズル形状流路３２ｄの毛細管力を利用してノズル穴３３ｄに供給されながら、ノズル穴３３ｄから排出される。
【００４２】
そして、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料がノズル穴３３ｄから排出されると、供給口７ｄから試料を供給しながら、圧電素子１０ｄを動作させるとともに、圧電素子３５ｄの動作を停止させる。すると、微小流路１２ｄ→加圧室１ｄ→微小流路１３ｄ→ノズル形状流路１４ｄという経路で試料の一部または全量が送液され、ノズル形状流路１４ｄの毛細管力を利用してノズル穴１５ｄに試料を供給させながら、ノズル穴１５ｄから微小の液滴状に試料を押し出すことができる。
【００４３】
これにより、圧電素子３５ｄを駆動することで、微小流路１２ｄの上流から送液される試料を強制的に排出口に導くことが可能となるとともに、加圧室３０ｄの配置位置を微小流路１３ｄの分岐点１９ｄの下流とする制約をなくすことができる。このため、微小流路１２ｄの上流から送液される試料がノズル穴１５ｄから漏れ出すのを防止しつつ、過剰分の試料をノズル穴３３ｄから排出することが可能となり、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流に試料を導入することが可能となるとともに、加圧室３０ｄの配置位置の選択範囲を広げることが可能となり、多様な形状のデバイス設計に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る試料導入マイクロデバイスを層方向に分解して示す平面図、図１（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
【図５】図５（ａ）は、従来のデフューザ型のマイクロポンプの形態を持つ試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の試料導入マイクロデバイスをＡ−Ａ´線で切断して示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は、従来のディスペンサ型の形態を持つ試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の試料導入マイクロデバイスをＢ−Ｂ´線で切断して示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ａ、１ｂ、２１ｂ、１ｃ、２１ｃ、１ｄ、３０ｄ 加圧室
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、２８ｄ 供給口
１０ａ、１０ｂ、２４ｂ、１０ｃ、２４ｃ、１０ｄ、３５ｄ 圧電素子
１２ａ、１３ａ、１８ａ、１２ｂ、１３ｂ、１８ｂ、２２ｂ、２３ｂ、１２ｃ、１３ｃ、１８ｃ、２６ｃ、１２ｄ、１３ｄ、１８ｄ、２９ｄ、３１ｄ 微小流路
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、２７ｃ、３２ｄ ノズル形状流路
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、２５ｃ、３３ｄ ノズル穴
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 蓋板
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ 基板
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ 分岐点
２０ａ、２０ｂ 流出口
２２ｂ、２３ｂ デフューザ
３４ｄ 合流点
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料導入マイクロデバイスに関し、特に、基板上に形成された微小流路を用いて微小容量の液体の混合、反応、分離、精製、抽出、分析などを行うマイクロポンプ、マイクロミクサ、マイクロリアクタ、μＴＡＳ（マイクロトータルアナリシスシステム）などに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシニング技術を用いてシリコンやガラス、プラスチックなどの基板上に微小流路（マイクロチャンネル）を形成し、その微小空間を各種の液体の混合、反応、分離、精製、抽出、分析などの場に利用する試みが注目されている。これらの分野に供されるデバイスは、その使用目的に応じて、マイクロポンプ、マイクロミクサ、マイクロリアクタ、μＴＡＳ（マイクロトータルアナリシスシステム）などと呼ばれている。
このような分野では、反応流路の等価直径（流路の断面を円に換算したときの直径）が５００μｍより小さいものが微小流路とされている。そして、このような微小流路のように、流路のスケールが微小化すると、単位体積当たりの表面積が非常に大きくなるという特徴がある。
【０００３】
そして、このような特徴によって、微小流路を流れる液体の温度、圧力、濃度などの勾配が大きくなるため、熱伝導や物質移動拡散などの効率が向上し、反応系での反応時間を短縮させたり、反応速度を向上させたりすることができる。さらに、微小量の反応で適量合成が可能となる上に、高い再現性も得ることができ、薬品や触媒試薬類などの使用量を大幅に低減することが可能となることから、経済的にも有効である。
このような分野に供される試料導入マイクロデバイスの構造に関する従来技術として、以下に示すように、圧電素子を用いたデフューザ型のマイクロポンプの形態を持つ試料導入マイクロデバイスや、インクジェット技術を応用したディスペンサ型の形態を持つ試料導入マイクロデバイスが提案されている。
【０００４】
図５（ａ）は、従来のデフューザ型のマイクロポンプの形態を持つ試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の試料導入マイクロデバイスをＡ−Ａ´線で切断して示す断面図である。
図５において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｅおよび基板１７ｅが設けられ、蓋板１６ｅは基板１７ｅ上に固定されている。
ここで、基板１７ｅには、加圧室１ｅが形成されるとともに、加圧室１ｅの入口側には、デフューザ２ｅを有する微小流路４ｅが形成され、加圧室１ｅの出口側には、デフューザ３ｅを有する微小流路５ｅが形成されている。
【０００５】
また、蓋板１６ｅには、微小流路４ｅの一端に接続された供給口７ｅおよび微小流路５ｅの一端に接続された流出口９ｅが形成され、蓋板１６ｅ上には、蓋板１６ｅを振動板１１ｅとして駆動するための圧電素子１０ｅが加圧室１ｅ上に位置するように配置されている。そして、供給口７ｅには、液体の供給源６ｅに接続され、流出口９ｅには、液体の導入先８ｅに接続されている。
そして、圧電素子１０ｅを動作させて振動板１１ｅを振動させると、加圧室１ｅの容積が変化し、加圧室１ｅが膨張することで流体を吸い込ませ、加圧室１ｅが収縮することで流体を吐出させるという動作を繰り返すことで送液することができる。また、振動板１１ｅにより生じる流れが流路形状の抵抗差によって変化することを利用して、狭い方から広い方への流れを作り出すことができる。
【０００６】
図６（ａ）は、従来のディスペンサ型の形態を持つ試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の試料導入マイクロデバイスをＢ−Ｂ´線で切断して示す断面図である。
図６において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｆおよび基板１７ｆが設けられ、蓋板１６ｆは基板１７ｆ上に固定されている。
ここで、基板１７ｆには、加圧室１ｆが形成されるとともに、加圧室１ｆの入口側には、微小流路１２ｆが形成されている。また、加圧室１ｆの出口側には、微小流路１３ｆを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ｆが形成され、ノズル形状流路１４ｆの先端にはノズル穴１５ｆが設けられ、ノズル穴１５ｆにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。
【０００７】
また、蓋板１６ｆには、微小流路１２ｆの一端に接続された供給口７ｆが形成され、蓋板１６ｆ上には、蓋板１６ｆを振動板１１ｆとして駆動するための圧電素子１０ｆが加圧室１ｆ上に位置するように配置されている。そして、供給口７ｆには、液体の供給源６ｆに接続されている。
そして、圧電素子１０ｆを動作させて振動板１１ｆを振動させると、加圧室１ｆの容積が変化し、加圧室１ｆが膨張することで流体を吸い込ませ、加圧室１ｆが収縮することで流体を吐出させるという動作を繰り返すことで送液することができる。そして、振動板１１ｆの変位により送液された液体は、ノズル形状流路１４ｆの毛細管力を利用してノズル穴１５ｆに供給されながら、ノズル穴１５ｆから微小の液滴状に押し出すことができる。
【０００８】
また、例えば、特許文献１には、微量の分注量と吐出流量とを確保できるようにするために、ノズル板、通路板、キャビティ板および振動板を積層接合して液体の搬送流路を形成する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１１６３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の試料導入マイクロデバイスでは、試料導入マイクロデバイス内に導入された余剰分の試料の排出先がない。このため、従来の試料導入マイクロデバイスを分析装置の試料の導入に適用した場合、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給されると、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流の検出器に試料を導入することができないという問題があった。
そこで、本発明の目的は、必要なタイミングで必要な量だけ試料を導入することが可能な試料導入マイクロデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、請求項１記載の試料導入マイクロデバイスによれば、液体を供給する第１供給口と、前記第１供給口から供給された液体を輸送するように基板に形成された分岐点を有する第１微小流路と、前記第１微小流路の分岐先の一方に接続され、必要なタイミングで必要な量だけ液体を吐出することが可能な流出口と、前記第１微小流路の分岐先の他方に接続された過剰分の液体を排出する排出口とを備えることを特徴とする。
これにより、試料導入マイクロデバイス内に導入された余剰分の試料を排出口から排出させることができ、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流に試料を導入することができる。
【００１１】
また、請求項２記載の試料導入マイクロデバイスによれば、前記排出口に接続された前記分岐先の第１微小流路の流路抵抗は、前記流出口に接続された前記分岐先の第１微小流路の流路抵抗よりも小さいことを特徴とする。
これにより、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、試料が流出口側に送液されないようにして、試料を排出口側に送液させることができ、試料導入マイクロデバイス内に導入された余剰分の試料を排出口から排出させることができる。
【００１２】
また、請求項３記載の試料導入マイクロデバイスによれば、前記分岐点よりも上流側の前記第１微小流路の一部の区間に配置されるようにして前記基板に形成された第１加圧室と、前記第１加圧室上に配置された第１振動板と、前記第１振動板を振動させる第１圧電素子とを備えることを特徴とする。
これにより、第１圧電素子の駆動を停止することで、試料を排出口側に送液させることが可能となるとともに、第１圧電素子の駆動することで、試料を流出口側に送液させることができ、必要なタイミングで必要な量だけ試料を導入することが可能となる。
【００１３】
また、請求項４記載の試料導入マイクロデバイスによれば、前記第１圧電素子を駆動しない場合には、前記第１微小流路の上流から送液される液体が前記排出口から排出され、前記第１圧電素子を駆動する場合には、前記第１微小流路の上流から送液される液体が前記流出口から吐出されることを特徴とする。
これにより、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、試料導入マイクロデバイス内に導入された余剰分の試料を排出口から排出させることができ、試料導入マイクロデバイスの下流側の導入先に必要なタイミングで必要な量だけ試料を導入することが可能となる。
【００１４】
また、請求項５記載の試料導入マイクロデバイスによれば、前記流出口は、液体と気体との界面が形成されるように構成されたノズル穴であり、前記流出口に接続された前記分岐先の第１微小流路は、前記ノズル穴の接続された毛細管効果を持つノズル形状流路であることを特徴とする。
これにより、第１圧電素子の駆動することで、試料を流出口側に送液させることができ、必要なタイミングで必要な量だけノズル穴から微小の液滴状に試料を押し出すことができる。
【００１５】
また、請求項６記載の試料導入マイクロデバイスによれば、前記排出口に接続されたバルブをさらに備え、前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記流出口から吐出させる時に前記バルブを閉じることを特徴とする。
これにより、試料導入マイクロデバイスに過剰分の液体を排出する排出口を設けた場合においても、流出口から試料を吐出させる時に排出口から試料が排出されるのを防止することができる。このため、第１微小流路の上流から送液される試料が排出口から漏れ出すことを防止しつつ、第１微小流路の上流から送液される試料の全量を流出口から吐出させることができ、試料が無駄に使用されるのを防止しつつ、必要なタイミングで必要な量だけ試料を導入することが可能となる。
【００１６】
また、請求項７記載の試料導入マイクロデバイスによれば、前記分岐点と前記排出口との間の前記第１微小流路の一部の区間に配置されるようにして前記基板に形成された第２加圧室と、前記第２加圧室上に配置された第２振動板と、前記第２振動板を振動させる第２圧電素子とを備え、前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記排出口から排出させる時には前記第２圧電素子を駆動し、前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記流出口から吐出させる時には前記第２圧電素子を駆動しないことを特徴とする。
【００１７】
これにより、第２圧電素子を駆動することで、第１微小流路の上流から送液される試料を強制的に排出口に導くことが可能となるとともに、第１圧電素子を駆動することで、第１微小流路の上流から送液される試料を強制的に流出口に導くことが可能となる。このため、第１微小流路の上流から送液される試料が流出口から漏れ出すのを防止しつつ、過剰分の試料を排出口から排出することが可能となり、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流に試料を導入することができる。
【００１８】
また、請求項８記載の試料導入マイクロデバイスによれば、液体を供給する第２供給口と、前記第２供給口から供給された液体を輸送するように前記基板に形成され、前記第１微小流路の分岐点と排出口との間に合流点を有する第２微小流路と、前記第２供給口と前記合流点との間の前記第２微小流路の一部の区間に配置されるようにして前記基板に形成された第３加圧室と、前記第３加圧室上に配置された第３振動板と、前記第３振動板を振動させる第３圧電素子とを備え、前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記排出口から排出させる時には前記第３圧電素子を駆動し、前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記流出口から吐出させる時には前記第３圧電素子を駆動しないことを特徴とする。
【００１９】
これにより、第３圧電素子を駆動することで、第１微小流路の上流から送液される試料を強制的に排出口に導くことが可能となるとともに、第３加圧室の配置位置を第１微小流路の分岐点の下流とする制約をなくすことができる。このため、第１微小流路の上流から送液される試料が流出口から漏れ出すのを防止しつつ、過剰分の試料を排出口から排出することが可能となり、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流に試料を導入することが可能となるとともに、第３加圧室の配置位置の選択範囲を広げることが可能となり、多様な形状のデバイス設計に対応することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、試料導入マイクロデバイス内に導入された余剰分の試料を排出口から排出させることができ、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流に試料を導入することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係る試料導入マイクロデバイスについて図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る試料導入マイクロデバイスを層方向に分解して示す平面図、図１（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
図１において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ａおよび基板１７ａが設けられ、蓋板１６ａは基板１７ａ上に固定されている。なお、蓋板１６ａおよび基板１７ａの材質としては、例えば、シリコン、ガラス、プラスチックまたはステンレス鋼などを用いることができる。
【００２２】
ここで、基板１７ａには、加圧室１ａが形成されるとともに、加圧室１ａの入口側には、微小流路１２ａが形成されている。また、加圧室１ａの出口側には、微小流路１３ａを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ａが形成され、ノズル形状流路１４ａの先端にはノズル穴１５ａが設けられ、ノズル穴１５ａにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。また、微小流路１３ａには、分岐点１９ａを介して分岐した微小流路１８ａが接続されている。
【００２３】
なお、加圧室１ａ、微小流路１２ａ、１８ａおよびノズル形状流路１４ａを基板１７ａに形成する方法としては、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いることができる。
また、蓋板１６ａには、微小流路１２ａの一端に接続された供給口７ａおよび微小流路１８ａの先端に接続された排出口２０ａが形成され、蓋板１６ａ上には、蓋板１６ａを振動板として駆動するための圧電素子１０ａが加圧室１ａ上に位置するように配置されている。
【００２４】
ここで、排出口２０ａは、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料を排出することができ、ノズル穴１５ａは、必要なタイミングで必要な量だけ試料を吐出することができる。
そして、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料を排出口２０ａから排出させる時に、ノズル穴１５ａから試料が漏れ出すのを抑制するために、排出口２０ａに接続された微小流路１８ａの流路抵抗は、ノズル穴１５ａに接続されたノズル形状流路１４ａの流路抵抗よりも小さいことが好ましい。あるいは、ノズル形状流路１４ａの表面にフッ素加工などを施すことにより、ノズル形状流路１４ａの表面に撥水性を持たせるようにしてもよい。
【００２５】
そして、圧電素子１０ａの動作を停止させた状態で供給口７ａから試料を供給すると、微小流路１２ａ→加圧室１ａ→微小流路１３ａ→微小流路１８ａという経路で試料が送液され、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料が排出口２０ａから排出される。
そして、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料が排出口２０ａから排出されると、供給口７ａから試料を供給しながら、圧電素子１０ａを動作させる。すると、微小流路１２ａ→加圧室１ａ→微小流路１３ａ→ノズル形状流路１４ａという経路で試料の一部または全量が送液され、ノズル形状流路１４ａの毛細管力を利用してノズル穴１５ａに試料を供給させながら、ノズル穴１５ａから微小の液滴状に試料を押し出すことができる。
【００２６】
これにより、試料導入マイクロデバイス内に導入された余剰分の試料を排出口２０ａから排出させることができ、試料導入マイクロデバイスの供給口７ａから断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけノズル穴１５ａを介して試料を導入することができる。
なお、ノズル穴１５ａから試料を吐出させる時に排出口２０ａから試料が排出されるのを防止するために、排出口２０ａにバルブを設けるようにしてもよい。ここで、排出口２０ａにバルブを設ける方法としては、排出口２０ａに配管を介してバルブを接続するようにしてもよいし、排出口２０ａとバルブとを中継する配管を用いることなく、蓋板１６ａにバルブを搭載し、排出口２０ａにバルブを直結するようにしてもよい。
【００２７】
そして、排出口２０ａから試料を排出させる時にはバルブを開き、ノズル穴１５ａから試料を吐出させる時にはバルブを閉じることができる。これにより、試料導入マイクロデバイスに過剰分の液体を排出する排出口２０ａを設けた場合においても、ノズル穴１５ａから試料を吐出させる時に排出口２０ａから試料が排出されるのを防止することができ、供給口７ａから供給される試料の全量をノズル穴１５ａから吐出させることができる。また、排出口２０ａにバルブを直結することにより、デッドボリュームを低減することができる。
【００２８】
図２は、本発明の第２実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
図２において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｂおよび基板１７ｂが設けられ、蓋板１６ｂは基板１７ｂ上に固定されている。
ここで、基板１７ｂには、加圧室１ｂが形成されるとともに、加圧室１ｂの入口側には、微小流路１２ｂが形成されている。また、加圧室１ｂの出口側には、微小流路１３ｂを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ｂが形成され、ノズル形状流路１４ｂの先端にはノズル穴１５ｂが設けられ、ノズル穴１５ｂにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。また、微小流路１３ｂには、分岐点１９ｂを介して分岐したＳ字状の微小流路１８ｂが接続され、微小流路１８ｂの一部の区間には加圧室２１ｂが形成されている。ここで、微小流路１８ｂにおいて、加圧室２１ｂの入口側にはデフューザ２２ｂが形成され、加圧室２１ｂの出口側にはデフューザ２３ｂが形成されている。
【００２９】
また、蓋板１６ｂには、微小流路１２ｂの一端に接続された供給口７ｂおよび微小流路１８ｂの先端に接続された排出口２０ｂが形成され、蓋板１６ｂ上には、蓋板１６ｂを振動板として駆動するための圧電素子１０ｂが加圧室１ｂ上に位置するように配置されるとともに、蓋板１６ｂを振動板として駆動するための圧電素子２４ｂが加圧室２１ｂ上に位置するように配置されている。
【００３０】
ここで、排出口２０ｂは、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料を排出することができ、ノズル穴１５ｂは、必要なタイミングで必要な量だけ試料を吐出することができる。
そして、圧電素子１０ｂの動作を停止させるとともに、圧電素子２４ｂを動作させながら、供給口７ｂから試料を供給すると、微小流路１２ｂ→加圧室１ｂ→微小流路１３ｂ→微小流路１８ｂ→デフューザ２２ｂ→加圧室２１ｂ→デフューザ２３ｂ→微小流路１８ｂ→という経路で試料が送液され、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料が排出口２０ｂから排出される。
【００３１】
そして、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料が排出口２０ｂから排出されると、供給口７ｂから試料を供給しながら、圧電素子１０ｂを動作させるとともに、圧電素子２４ｂの動作を停止させる。すると、微小流路１２ｂ→加圧室１ｂ→微小流路１３ｂ→ノズル形状流路１４ｂという経路で試料の一部または全量が送液され、ノズル形状流路１４ｂの毛細管力を利用してノズル穴１５ｂに試料を供給させながら、ノズル穴１５ｂから微小の液滴状に試料を押し出すことができる。
【００３２】
これにより、圧電素子２４ｂを駆動することで、微小流路１２ｂの上流から送液される試料を強制的に排出口２０ｂに導くことが可能となるとともに、圧電素子１０ｂを駆動することで、微小流路１２ｂの上流から送液される試料を強制的にノズル穴１５ｂに導くことが可能となる。このため、微小流路１２ｂの上流から送液される試料がノズル穴１５ｂから漏れ出すのを防止しつつ、過剰分の試料を排出口２０ｂから排出することが可能となり、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流に試料を導入することができる。
【００３３】
図３は、本発明の第３実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
図３において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｃおよび基板１７ｃが設けられ、蓋板１６ｃは基板１７ｃ上に固定されている。
ここで、基板１７ｃには、加圧室１ｃが形成されるとともに、加圧室１ｃの入口側には、微小流路１２ｃが形成されている。また、加圧室１ｃの出口側には、微小流路１３ｃを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ｃが形成され、ノズル形状流路１４ｃの先端にはノズル穴１５ｃが設けられ、ノズル穴１５ｃにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。また、微小流路１３ｃには、分岐点１９ｃを介して分岐したＳ字状の微小流路１８ｃが接続され、微小流路１８ｃの一部の区間には加圧室２１ｃが形成されるとともに、微小流路１８ｃには毛細管効果を持つノズル形状流路２７ｃが接続されている。そして、ノズル形状流路２７ｃの先端にはノズル穴２５ｃが設けられ、ノズル穴２５ｃにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。
【００３４】
また、蓋板１６ｃには、微小流路１２ｃの一端に接続された供給口７ｃが形成され、蓋板１６ｃ上には、蓋板１６ｃを振動板として駆動するための圧電素子１０ｃが加圧室１ｃ上に位置するように配置されるとともに、蓋板１６ｃを振動板として駆動するための圧電素子２４ｃが加圧室２１ｃ上に位置するように配置されている。
ここで、ノズル穴２５ｃは、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料を排出することができ、ノズル穴１５ｃは、必要なタイミングで必要な量だけ試料を吐出することができる。
【００３５】
そして、圧電素子１０ｃの動作を停止させるとともに、圧電素子２４ｃを動作させながら、供給口７ｃから試料を供給すると、微小流路１２ｃ→加圧室１ｃ→微小流路１３ｃ→微小流路１８ｃ→加圧室２１ｃ→ノズル形状流路２７ｃという経路で試料が送液され、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料がノズル形状流路２７ｃの毛細管力を利用してノズル穴２５ｃに供給されながら、ノズル穴２５ｃから排出される。
【００３６】
そして、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料がノズル穴２５ｃから排出されると、供給口７ｃから試料を供給しながら、圧電素子１０ｃを動作させるとともに、圧電素子２４ｃの動作を停止させる。すると、微小流路１２ｃ→加圧室１ｃ→微小流路１３ｃ→ノズル形状流路１４ｃという経路で試料の一部または全量が送液され、ノズル形状流路１４ｃの毛細管力を利用してノズル穴１５ｃに試料を供給させながら、ノズル穴１５ｃから微小の液滴状に試料を押し出すことができる。
【００３７】
これにより、圧電素子２４ｃを駆動することで、微小流路１２ｃの上流から送液される試料を強制的にノズル穴１５ｃに導くことが可能となるとともに、圧電素子１０ｃを駆動することで、微小流路１２ｃの上流から送液される試料を強制的にノズル穴１５ｃに導くことが可能となる。このため、微小流路１２ｃの上流から送液される試料がノズル穴１５ｃから漏れ出すのを防止しつつ、過剰分の試料をノズル穴２５ｃから排出することが可能となり、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流に試料を導入することができる。
【００３８】
図４は、本発明の第４実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
図４において、試料導入マイクロデバイスには、蓋板１６ｄおよび基板１７ｄが設けられ、蓋板１６ｄは基板１７ｄ上に固定されている。
ここで、基板１７ｄには、加圧室１ｄが形成されるとともに、加圧室１ｄの入口側には、微小流路１２ｄが形成されている。また、加圧室１ｄの出口側には、微小流路１３ｄを介して毛細管効果を持つノズル形状流路１４ｄが形成され、ノズル形状流路１４ｄの先端にはノズル穴１５ｄが設けられ、ノズル穴１５ｄにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。
【００３９】
また、基板１７ｄには、加圧室３０ｄが形成されるとともに、加圧室３０ｄの入口側には、微小流路２９ｄが形成されている。また、加圧室３０ｄの出口側には、微小流路３１ｄを介して毛細管効果を持つノズル形状流路３２ｄが形成され、ノズル形状流路３２ｄの先端にはノズル穴３３ｄが設けられ、ノズル穴３３ｄにおいて液体と気体との界面が形成されるように構成されている。
また、微小流路１３ｄには、分岐点１９ｄを介して分岐した微小流路１８ｄが接続され、微小流路１８ｄは、分岐点３４ｄを介してノズル形状流路３２ｄの途中に接続されている。
【００４０】
また、蓋板１６ｄには、微小流路１２ｄの一端に接続された供給口７ｄおよび微小流路２９ｄの一端に接続された供給口２８ｄが形成され、蓋板１６ｄ上には、蓋板１６ｄを振動板として駆動するための圧電素子１０ｄが加圧室１ｄ上に位置するように配置されるとともに、蓋板１６ｄを振動板として駆動するための圧電素子３５ｄが加圧室３０ｄ上に位置するように配置されている。
ここで、ノズル穴３３ｄは、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料を排出することができ、ノズル穴１５ｄは、必要なタイミングで必要な量だけ試料を吐出することができる。また、供給口７ｄは、試料導入マイクロデバイス内に試料を導入するために用いることができ、供給口２８ｄは、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料を排出させるための呼び水となる液体を導入するために用いることができる。
【００４１】
そして、圧電素子１０ｄの動作を停止させるとともに、圧電素子３５ｄを動作させながら、供給口７ｄから試料を供給しつつ、供給口２８ｄから呼び水となる液体を供給すると、微小流路１２ｄ→加圧室１ｄ→微小流路１３ｄ→微小流路１８ｄ→加圧室３０ｄ→ノズル形状流路３２ｄという経路で試料が送液されるとともに、微小流路２９ｄ→加圧室３０ｄ→微小流路３１ｄ→ノズル形状流路３２ｄという経路で呼び水となる液体が送液され、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料がノズル形状流路３２ｄの毛細管力を利用してノズル穴３３ｄに供給されながら、ノズル穴３３ｄから排出される。
【００４２】
そして、試料導入マイクロデバイス内に導入された過剰分の試料がノズル穴３３ｄから排出されると、供給口７ｄから試料を供給しながら、圧電素子１０ｄを動作させるとともに、圧電素子３５ｄの動作を停止させる。すると、微小流路１２ｄ→加圧室１ｄ→微小流路１３ｄ→ノズル形状流路１４ｄという経路で試料の一部または全量が送液され、ノズル形状流路１４ｄの毛細管力を利用してノズル穴１５ｄに試料を供給させながら、ノズル穴１５ｄから微小の液滴状に試料を押し出すことができる。
【００４３】
これにより、圧電素子３５ｄを駆動することで、微小流路１２ｄの上流から送液される試料を強制的に排出口に導くことが可能となるとともに、加圧室３０ｄの配置位置を微小流路１３ｄの分岐点１９ｄの下流とする制約をなくすことができる。このため、微小流路１２ｄの上流から送液される試料がノズル穴１５ｄから漏れ出すのを防止しつつ、過剰分の試料をノズル穴３３ｄから排出することが可能となり、試料導入マイクロデバイスの上流から断続的に試料が供給された場合においても、必要なタイミングで必要な量だけ試料導入マイクロデバイスの下流に試料を導入することが可能となるとともに、加圧室３０ｄの配置位置の選択範囲を広げることが可能となり、多様な形状のデバイス設計に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る試料導入マイクロデバイスを層方向に分解して示す平面図、図１（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図である。
【図５】図５（ａ）は、従来のデフューザ型のマイクロポンプの形態を持つ試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の試料導入マイクロデバイスをＡ−Ａ´線で切断して示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は、従来のディスペンサ型の形態を持つ試料導入マイクロデバイスの概略構成を示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の試料導入マイクロデバイスをＢ−Ｂ´線で切断して示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ａ、１ｂ、２１ｂ、１ｃ、２１ｃ、１ｄ、３０ｄ 加圧室
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、２８ｄ 供給口
１０ａ、１０ｂ、２４ｂ、１０ｃ、２４ｃ、１０ｄ、３５ｄ 圧電素子
１２ａ、１３ａ、１８ａ、１２ｂ、１３ｂ、１８ｂ、２２ｂ、２３ｂ、１２ｃ、１３ｃ、１８ｃ、２６ｃ、１２ｄ、１３ｄ、１８ｄ、２９ｄ、３１ｄ 微小流路
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、２７ｃ、３２ｄ ノズル形状流路
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、２５ｃ、３３ｄ ノズル穴
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 蓋板
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ 基板
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ 分岐点
２０ａ、２０ｂ 流出口
２２ｂ、２３ｂ デフューザ
３４ｄ 合流点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を供給する第１供給口と、
前記第１供給口から供給された液体を輸送するように基板に形成された分岐点を有する第１微小流路と、
前記第１微小流路の分岐先の一方に接続され、必要なタイミングで必要な量だけ液体を吐出することが可能な流出口と、
前記第１微小流路の分岐先の他方に接続された過剰分の液体を排出する排出口とを備えることを特徴とする試料導入マイクロデバイス。
【請求項２】
前記排出口に接続された前記分岐先の第１微小流路の流路抵抗は、前記流出口に接続された前記分岐先の第１微小流路の流路抵抗よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の試料導入マイクロデバイス。
【請求項３】
前記分岐点よりも上流側の前記第１微小流路の一部の区間に配置されるようにして前記基板に形成された第１加圧室と、
前記第１加圧室上に配置された第１振動板と、
前記第１振動板を振動させる第１圧電素子とを備えることを特徴とする請求項１または２記載の試料導入マイクロデバイス。
【請求項４】
前記第１圧電素子を駆動しない場合には、前記第１微小流路の上流から送液される液体が前記排出口から排出され、
前記第１圧電素子を駆動する場合には、前記第１微小流路の上流から送液される液体が前記流出口から吐出されることを特徴とする請求項３記載の試料導入マイクロデバイス。
【請求項５】
前記流出口は、液体と気体との界面が形成されるように構成されたノズル穴であり、
前記流出口に接続された前記分岐先の第１微小流路は、前記ノズル穴に接続された毛細管効果を持つノズル形状流路であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の試料導入マイクロデバイス。
【請求項６】
前記排出口に接続されたバルブをさらに備え、前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記流出口から吐出させる時に前記バルブを閉じることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の試料導入マイクロデバイス。
【請求項７】
前記分岐点と前記排出口との間の前記第１微小流路の一部の区間に配置されるようにして前記基板に形成された第２加圧室と、
前記第２加圧室上に配置された第２振動板と、
前記第２振動板を振動させる第２圧電素子とを備え、
前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記排出口から排出させる時には前記第２圧電素子を駆動し、
前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記流出口から吐出させる時には前記第２圧電素子を駆動しないことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の試料導入マイクロデバイス。
【請求項８】
液体を供給する第２供給口と、
前記第２供給口から供給された液体を輸送するように前記基板に形成され、前記第１微小流路の分岐点と排出口との間に合流点を有する第２微小流路と、
前記第２供給口と前記合流点との間の前記第２微小流路の一部の区間に配置されるようにして前記基板に形成された第３加圧室と、
前記第３加圧室上に配置された第３振動板と、
前記第３振動板を振動させる第３圧電素子とを備え、
前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記排出口から排出させる時には前記第３圧電素子を駆動し、
前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記流出口から吐出させる時には前記第３圧電素子を駆動しないことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の試料導入マイクロデバイス。
【請求項１】
液体を供給する第１供給口と、
前記第１供給口から供給された液体を輸送するように基板に形成された分岐点を有する第１微小流路と、
前記第１微小流路の分岐先の一方に接続され、必要なタイミングで必要な量だけ液体を吐出することが可能な流出口と、
前記第１微小流路の分岐先の他方に接続された過剰分の液体を排出する排出口とを備えることを特徴とする試料導入マイクロデバイス。
【請求項２】
前記排出口に接続された前記分岐先の第１微小流路の流路抵抗は、前記流出口に接続された前記分岐先の第１微小流路の流路抵抗よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の試料導入マイクロデバイス。
【請求項３】
前記分岐点よりも上流側の前記第１微小流路の一部の区間に配置されるようにして前記基板に形成された第１加圧室と、
前記第１加圧室上に配置された第１振動板と、
前記第１振動板を振動させる第１圧電素子とを備えることを特徴とする請求項１または２記載の試料導入マイクロデバイス。
【請求項４】
前記第１圧電素子を駆動しない場合には、前記第１微小流路の上流から送液される液体が前記排出口から排出され、
前記第１圧電素子を駆動する場合には、前記第１微小流路の上流から送液される液体が前記流出口から吐出されることを特徴とする請求項３記載の試料導入マイクロデバイス。
【請求項５】
前記流出口は、液体と気体との界面が形成されるように構成されたノズル穴であり、
前記流出口に接続された前記分岐先の第１微小流路は、前記ノズル穴に接続された毛細管効果を持つノズル形状流路であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の試料導入マイクロデバイス。
【請求項６】
前記排出口に接続されたバルブをさらに備え、前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記流出口から吐出させる時に前記バルブを閉じることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の試料導入マイクロデバイス。
【請求項７】
前記分岐点と前記排出口との間の前記第１微小流路の一部の区間に配置されるようにして前記基板に形成された第２加圧室と、
前記第２加圧室上に配置された第２振動板と、
前記第２振動板を振動させる第２圧電素子とを備え、
前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記排出口から排出させる時には前記第２圧電素子を駆動し、
前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記流出口から吐出させる時には前記第２圧電素子を駆動しないことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の試料導入マイクロデバイス。
【請求項８】
液体を供給する第２供給口と、
前記第２供給口から供給された液体を輸送するように前記基板に形成され、前記第１微小流路の分岐点と排出口との間に合流点を有する第２微小流路と、
前記第２供給口と前記合流点との間の前記第２微小流路の一部の区間に配置されるようにして前記基板に形成された第３加圧室と、
前記第３加圧室上に配置された第３振動板と、
前記第３振動板を振動させる第３圧電素子とを備え、
前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記排出口から排出させる時には前記第３圧電素子を駆動し、
前記第１微小流路の上流から送液される液体を前記流出口から吐出させる時には前記第３圧電素子を駆動しないことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の試料導入マイクロデバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−３０４３７７（Ｐ２００８−３０４３７７Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５２９３２（Ｐ２００７−１５２９３２）
【出願日】平成１９年６月８日（２００７．６．８）
【出願人】（３０５０２７４０１）公立大学法人首都大学東京 (385)
【出願人】（５９１０８３２４４）富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月８日（２００７．６．８）
【出願人】（３０５０２７４０１）公立大学法人首都大学東京 (385)
【出願人】（５９１０８３２４４）富士電機システムズ株式会社 (1,717)
【Ｆターム（参考）】
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