JP2005114412A

JP2005114412A - 流体の流れに関する情報の取得方法

Info

Publication number: JP2005114412A
Application number: JP2003345805A
Authority: JP
Inventors: Takao Kusaka; 貴生日下
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2003-10-03
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】狭小空間での流体の流れる方向や流速又は流量を測定できる方法、及び狭小空間内において微小な物体が流体から受ける力を評価する方法を提供する。
【解決手段】流体中において前記流体の流れに応じて複数の方向から抵抗を受ける形状を有する物体２３を先端に備える梁部２２を用意する工程と、前記物体２３を流体中に存在させる工程と、前記流体中の前記物体２３が流体から受ける力に応じて変位する前記梁部２２の変位量を計測する工程とを有する。例えば、レーザー５の反射光を光検出器６で検出して梁部２２の変位量を計測する。
【選択図】図５

Description

本発明は、微小領域における流体の流れに関する情報を取得する方法に関する。流体の流れに関する情報は、流体の流量や流速、又は流体中の物体が流体から受ける力に関する情報である。

液体の流量や流速を測定する方法としては様々な方法が提案されている。例えば、流体の流れにより発熱素子が冷却された際にこの発熱素子を元の温度に戻すように流れる加熱電流を検出することで、流体の流速を測定する構成となっている散熱検知方式を利用した半導体マイクロセンサ、超音波を利用した流体測定装置などが提案されている。

一方、微弱な流れを検知する方法としては微小梁部の撓みを検出して流速や流量を測定する方法（下記特許文献１）が提案されている。

図１２は、下記特許文献１に記載されている従来の流体測定方法を説明する図である。

図１２において、支持部１２２に固定されたレバー部１２１の撓みをピエゾ抵抗体であるレバー部１２１の抵抗変化によって計測する方法である。１２３は信号を処理する測定ヘッド部であり、気体や液体の微小に変化する流れ１２５が管１２４に導かれる。

また検出感度が高く、応答時定数の小さな半導体マイクロセンサとして、板状の受圧部の変位を検出して流体の流量を測定する方法（下記特許文献２）も提案されている。
特開２００１−３２４３７５号公報（図９）特開平８−７５５１７号公報

様々なデバイスが微細化してゆく中で、狭小空間内を流れる液体の内部での物体の運動を評価するということが重要となってきている。

例えば電気泳動表示装置では高さ数十μｍという狭ギャップ内で微粒子を泳動させている。このとき、微粒子の運動は電極間に形成される電界分布だけではなく、同じ空間内に封じ込められた分散媒液にも左右される。従って、分散媒液の流れやその時間変化、粒子が分散媒液から受ける抵抗なども重要な設計要因となっている。

また、ドラッグデリバリーシステム（Drug Delivery System）では血管内に薬物の微粒子キャリアを投与し、所望の部位へ輸送する方法が研究されている。このとき、様々な太さの血管内において、中心部や壁面近傍での血液の流れを知ることが重要である。同時に微粒子キャリアの直径や表面形態により血液から受ける力がどのように変化するかということも、微粒子キャリア設計時の重要な要因となっている。

従来の方法、例えば、上記特許文献１又は２の提案では、比較的狭い空間内で感度良く流量や流速を測定することができるが、流れの中に物体を存在させるものではなく、微小領域内の流れの方向やその３次元分布を測定することはできなかった。

本発明は、この様な従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、狭小空間での流体の流れる方向や流速又は流量を測定できる方法を提供することである。また、狭小空間内において微小な物体が流体から受ける力を評価する方法を提供するものである。

上記の課題を解決するため、本発明は流体の流れに関する情報を取得する方法であって、請求項１の発明は、流体中において前記流体の流れに応じて複数の方向から抵抗を受ける形状を有する物体を先端に備える梁部を用意する工程と、前記物体を流体中に存在させる工程と、前記物体が流体から受ける力に応じて変位する前記梁部の変位量を計測する工程とを有することを特徴とする。この請求項１の発明によれば、情報取得対象の流体の空間サイズに応じて梁部と物体の形状を選択することで、微小領域の流体の流れに関する情報を取得することができる。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、流体の流れに関する情報を連続して記録し、流路内の特定位置における流体の流れの時間変化を測定することを特徴とする。この請求項２の発明によれば、微小領域の流体の流れの経時変化を計測することができる。

また、請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、流体の流れに関する情報を流路内の複数点で測定し、演算処理により流体の流れの３次元分布を求めることを特徴とする。この請求項３の発明によれば、微小領域の流体の流れの空間分布を計測することができる。

また、請求項４の発明は、請求項１から３の発明において、前記梁部の変位量を計測する工程は、前記梁部の撓みと捩れを計測する工程であって、前記梁部に照射したレーザーの反射方向の変化を光検出器で検出することを特徴とする。この請求項４の発明によれば、光検出器の検出位置から梁部の撓みと捩れを同時に検出でき、流体の流れの方向と量を測定できる。

また、請求項５の発明は、請求項１から３の発明において、前記梁部の変位量を計測する工程は、前記梁部の撓みと捩れを計測する工程であって、前記梁部上に設けたピエゾ抵抗体の抵抗値の変化で検出することを特徴とする。この請求項５の発明によれば、ピエゾ抵抗体の抵抗値の変化から梁部の撓みと捩れをそれぞれ検出でき、流体の流れの方向と量を測定できる。

また、請求項６の発明は、請求項１から５の発明において、前記梁部先端に固着した物体は、板状部材であることを特徴とする。この請求項６の発明によれば、板状部材の大きさや形状を選択することで流れから受ける特定方向の力を選択的に計測することが可能となる。

また、請求項７の発明は、請求項１から５の発明において、前記梁部先端に固着した物体は、微粒子であることを特徴とする。この請求項７の発明によれば、微粒子の直径を適宜選択すれば流体から受けるあらゆる方向の力を総合的に計測することが可能となる。

また、請求項８の発明は、請求項７の発明において、前記流体は電気泳動表示装置内の分散媒液であり、前記微粒子は電気泳動表示装置の泳動粒子であることを特徴とする。この請求項８の発明によれば、電気泳動表示装置内で液流測定を行うことにより分散媒液の流れが粒子の泳動に及ぼす影響を評価できるものであり、電気泳動表示装置のセル構造や分散媒液の成分、泳動粒子の大きさ、形状、表面状態など電気泳動表示装置を構成する部材の評価及び設計に必要な情報を取得することが可能となる。

また、請求項９の発明は、請求項７の発明において、前記流体は擬似血管内の血液であり、前記微粒子は薬物の微粒子性キャリアであることを特徴とする。この請求項９の発明によれば、血管内の血液の流れが微粒子性キャリアの移動に及ぼす影響を評価できるものであり、ドラッグデリバリーシステムにおける微粒子性キャリアの設計に重要な情報を得ることができる。

さらに、本発明は流体の流れに関する情報の取得装置であって、請求項１０の発明は、流体中において前記流体の流れに応じて複数の方向から抵抗を受ける形状を有する物体を先端に備える梁部と、前記梁部の変位量を計測するための計測手段とを備えることを特徴とする。請求項１０の発明によれば、請求項１の発明の流体の流れに関する情報を取得する方法を実施することができる。

本発明によると、情報取得対象の流体の空間サイズに応じて梁部と物体の形状を選択することで、微小領域の流体の流れを計測することができる。

従って、本発明により、電気泳動表示装置のセル構造や分散媒液の成分、泳動粒子の形状や表面状態など、電気泳動表示装置を構成する部材の評価及び設計に必要な情報を取得することが可能となった。

また、本発明により、血管内の血液の流れが微粒子の移動に及ぼす影響を評価することが可能になり、薬物の微粒子性キャリアの設計に重要な情報を得ることができるようになった。

なお、本手法は狭小空間における液流の評価に利用できるため、例えばインクジェットのインクに含まれる固体組成物の移動経路の評価設計にも応用することができることはいうまでもない。

また、微小ＩＣチップ例えばボールＩＣやナノブロック（Nanoblocks）を液流を用いて搬送する際の搬送経路やＩＣチップの形状の評価にも応用することができることはいうまでもない。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。例えば実施形態１〜６において、流体は液体の場合であるが、本発明は気体の場合にも適用できる。

（実施形態１）
実施形態１の概略を述べると、本発明の流体の流れに応じて複数の方向から抵抗を受ける形状を有する物体は、微小部材であって、微粒子又は板状部材であり、本発明の梁部は微小梁部（カンチレバー）である。また、物体が流体から受ける力に応じて変位する梁部の変位量の計測にはレーザーを用いている。

図１から６を参照して本発明の実施形態１における液流測定方法を説明する。

図１は、本発明の実施形態１における支持部によって支持されたカンチレバーに微粒子を固着した状態を示す図である。

図２は、本発明の実施形態１におけるカンチレバー先端に微量のエポキシを付着させた様子を示す図である。

図３は、本発明の実施形態１における微粒子を固着したカンチレバーの走査型電子顕微鏡による二次電子像を示す図である。

図４は、本発明の実施形態１における支持部によって支持された微小梁部に板状部材を固着した状態を示す図である。

図５は、本発明の実施形態１におけるレーザーを用いて微小梁部の変位を測定する方法を説明する図である。

図６は、本発明の実施形態１における液流による微小梁部の変位をレーザーを用いて測定する方法を説明する図である。

図１において、１は支持部、２は微小梁部、３は微小部材を示す。最初に支持部１によって支持された微小梁部２の先端に微小部材３を固着する方法について説明する。固着用接着剤は常温で固化し、かつ固化後は液に不溶のものを選択する必要があり、今回は２液混合型のエポキシ（Gatan社製 G-1 Epoxy）を使用した。まず、本エポキシを混ぜ、太さ０．２５mmの針金の先端に微量のエポキシ液滴４を付けた。このときエポキシ液滴４は表面張力で球体となる。一方、使用する微小梁部２は液流の大きさにより選択しなければならないが、今回は原子間力顕微鏡用カンチレバー１２（Digital Instruments社製プローブ無しＳｉ₃Ｎ₄センサ／ばね定数０．０６〜０．５８Ｎ／ｍ）を使用した。

次に図２に示すとおり、光学顕微鏡下でカンチレバー１２先端とエポキシ液滴４を１０μｍ程度離して同一焦点位置に固定した。このときエポキシ液滴４に適度な振動を加えると、極微量のエポキシがカンチレバー１２先端に付着した。振動を数回加えることにより、後ほど付ける微小部材３の大きさに対応した量のエポキシを付着させる。このとき、付着したエポキシの量が多すぎると後ほど付ける微小部材３が埋没してしまい、逆に少なすぎると液流の測定中に取れてしまう。その適量は、例えば微小部材３として直径２μｍの微粒子を固着する場合、直径１μｍ程度のエポキシをカンチレバー１２先端に付着するとよい。

次いで、エポキシの付着したカンチレバー１２をドライヤを用いて加熱し、エポキシの粘度を調整した。このとき、エポキシは表面から固化してゆくため、過度に加熱すると後ほど微粒子が付かなくなってしまう。今回は１２００Ｗのドライヤを１０ｃｍ離した位置から５分間照射した。最後にこのカンチレバー１２を原子間力顕微鏡のホルダに設置し、ガラス基板上にばらまいた微粒子の上に接触後加圧することで微粒子がエポキシに付着した。この微粒子に耐熱性があれば加熱してもよいが、耐熱性がない場合には１週間放置し常温固化することで、微粒子を固着したカンチレバー１２ができ上がった。本実施形態の微粒子を固着したカンチレバーの走査型電子顕微鏡による二次電子像を示す図を図３に示す。

なお、本実施形態では固着用接着剤としてエポキシを用いたが、これに限られるのもではなく、常温で固化しかつ固化後は測定対象の液に不溶なものであれば特に限定されない。

また微小梁部や微小部材の形状は、これに限られるのもではなく、測定対象となる流路の形やサイズに応じて選択する必要があり、特に限定されない。例えば、微小梁部２として短冊状の板２２を、微小部材３として板状部材２３を選択した場合、図４に示す形態となる。

次に液流測定の方法について図５及び６を用いて説明する。

図５においては図４に示した微小梁部２２と微小部材２３を使用する。５はレーザー、６は光検出器を示す。レーザーは微小梁部２２の中央部に照射されるように調節し、その反射光が光検出器６に入射するように（不図示の）反射ミラーで調節する。図６は微小梁部２２を微小部材２３の付いている側から見た図で、光検出器６を同時に示している。まず液流の流れていない状態で光検出器６の中心にレーザーの反射光が当たるように反射ミラーを調節しておく（図６（ａ））。液流（矢印で表示）が左側から微小梁部２２と平行に流れてくると、微小梁部２２は弾性により捩れ、レーザーの反射光は光検出器６の左側に変化する（図６（ｂ））。また、液流（矢印で表示）が左下側から流れてくると、微小梁部２２は捩れると同時に撓み、レーザーの反射光は光検出器６の左上側に変化する（図６（ｃ））。このように、液流の流れる方向は光検出器６上の中心位置からの変位方向で検出され、液流の流量は光検出器６上の中心位置からのずれ量で検出することができる。

（実施形態２）
実施形態２は、流路内における液流の時間変化を測定する方法である。

図７は、本発明の本実施形態２における光検出器の拡大図である。

本実施形態では実施形態１の図４と同じ構成の微小梁部２２及び微小部材２３を使用し、流路内の特定位置における液流の時間変化を測定する方法を説明する。図７に示す光検出器６上のレーザー反射光が照射される位置をＸＹ座標で記録できるようになっている。このＸＹ座標を連続して記録し、中央（座標［０，０］）からのずれ量ｄ（ｄ＝√（ｘ₁ ²＋ｙ₁ ²））とＸ軸からの角度変化θ（θ＝ｔａｎ^-1（ｙ₁／ｘ₁）)を時間軸に対して表示すれば、液流の経時変化を追跡することが可能となる。

（実施形態３）
図８は、本発明の実施形態３における流路内における液流の３次元分布を測定する方法を説明する図である。

本実施形態では実施形態１の図５と同じ構成の微小梁部２２及び微小部材２３を使用し、流路内における液流の３次元分布を測定する方法を説明する。図８に示すとおり、まず支持部１をＸＹＺの３軸から構成されるピエゾ式の変位付与装置７に固定する。次に流路内の座標軸を決め、変位付与装置７により微小部材２３の位置を変化させ、各座標位置において光検出器６上のレーザー反射光が照射される位置を記録してゆく。測定後、３次元座標上に各測定位置におけるレーザーの変位をベクトルで表示することにより、液流の空間分布を求めることができる。

（実施形態４）
図９は、本発明の実施形態４における微小梁部の変位を測定する別の方法を説明する図である。

８は微小梁部２２が支持部１と連結される領域に形成されたピエゾ抵抗体であり、９は微小梁部２２の中央部に形成されたピエゾ抵抗体である。ピエゾ抵抗体８は微小梁部２２の撓みに伴ってピエゾ抵抗体自身の形状が歪むことから、微小梁部２２の撓み量を抵抗値変化に変換して計測することができる。一方、ピエゾ抵抗体９は微小梁部２２の捩れに伴ってピエゾ抵抗体自身の形状が歪むことから、微小梁部２２の捩れ量を抵抗値変化に変換して計測することができる。この抵抗値変化量を（不図示の）電極配線を介して測定すれば、微小梁部２２の撓みと捩れを同時に検出することが可能となる。本方法によれば、レーザー及びその検出器などの周辺構成材が必要なくなるため、より狭小空間での液流測定が可能になる。

（実施形態５）
図１０は、本発明の実施形態５における電気泳動表示装置の液流評価方法を説明する図である。

まず実施形態１で示した方法と同様に、微小梁部１２の先端にエポキシを用いて直径２．５μｍの帯電泳動粒子３３を固着した。この帯電泳動粒子３３に耐熱性があれば加熱してもよいが、今回は高分子微小粒子の表面を染色した帯電泳動粒子を使用したため１週間放置し常温固化することで固着した。ついで実施形態３と同様に支持部１をＸＹＺの３軸から構成される変位付与装置７に固定した。

次に図１０に示すように分散媒液を満たした電気泳動表示装置１０内に座標軸を定め、変位付与装置７により帯電泳動粒子３３の位置を決定し、光検出器６上のレーザー反射光が照射される位置を連続的に記録してゆく。測定後、光検出器６における中央からのずれ量と角度を時間軸に対して表示すると、分散媒液の流れが帯電泳動粒子３３に及ぼす影響の時間変化を評価することができた。条件（印加電圧、分散媒液の温度、帯電泳動粒子３３の位置など）を変えて同様の評価を行えば、電気泳動表示装置１０の設計に必要な情報を取得することが可能となる。なお、微小梁部１２の変位の測定は、実施形態４のようにピエゾ抵抗体を用いる方法でも良い。

（実施形態６）
図１１は、本発明の実施形態６における血管内の血液の流れが微粒子性キャリアの移動に及ぼす影響の評価方法を説明する図である。

まず実施形態４で示した２つのピエゾ抵抗体８，９を形成した微小梁部２２の先端に、実施形態１と同様の方法でエポキシを用いて直径１μｍの薬物の微粒子性キャリア４３を固着した。この微粒子性キャリア４３に耐熱性があれば加熱してもよいが、今回は直径１μｍのアルブミンマイクロスフェアを微粒子性キャリア４３として使用したため１週間放置し常温固化することで固着した。ついで実施形態３と同様に支持部１をＸＹＺの３軸から構成される変位付与装置７に固定した。

次に図１１に示すように擬似血管１１内に座標軸を決め、変位付与装置７により微粒子性キャリア４３の位置を変化させ（例えば壁際、流路中央、血管屈曲部位など）、各座標位置においてピエゾ抵抗体の抵抗値変化量を記録してゆく。測定後、２つの抵抗値変化量から各測定位置での変位量をベクトルで表示することにより、血管内における血液の流れが微粒子性キャリアに及ぼす影響を評価することができた。なお、微小梁部２２の変位の測定は、実施形態１のようにレーザーを用いる方法でも良い。

本発明の実施形態１における支持部によって支持されたカンチレバーに微粒子を固着した状態を示す図本発明の実施形態１におけるカンチレバー先端に微量のエポキシを付着させた様子を示す図本発明の実施形態１における微粒子を固着したカンチレバーの走査型電子顕微鏡による二次電子像を示す図本発明の実施形態１における支持部によって支持された微小梁部に板状部材を固着した状態を示す図本発明の実施形態１におけるレーザーを用いて微小梁部の変位を測定する方法を説明する図本発明の実施形態１における液流による微小梁部の変位をレーザーを用いて測定する方法を説明する図本発明の本実施形態２における光検出器の拡大図本発明の実施形態３における流路内における液流の３次元分布を測定する方法を説明する図本発明の実施形態４における微小梁部の変位を測定する別の方法を説明する図本発明の実施形態５における電気泳動表示装置の液流評価方法を説明する図本発明の実施形態６における血管内の血液の流れが微粒子性キャリアの移動に及ぼす影響の評価方法を説明する図特許文献１に記載されている従来の流体測定方法を説明する図

符号の説明

１支持部
２，１２，２２微小梁部（カンチレバー）
３，２３微小部材
４エポキシ液滴
５レーザー
６光検出器
７変位付与装置
８，９ピエゾ抵抗体
１０電気泳動表示装置
１１擬似血管
３３帯電泳動粒子
４３微粒子性キャリア

Claims

流体中において前記流体の流れに応じて複数の方向から抵抗を受ける形状を有する物体を先端に備える梁部を用意する工程と、前記物体を流体中に存在させる工程と、前記物体が流体から受ける力に応じて変位する前記梁部の変位量を計測する工程とを有することを特徴とする流体の流れに関する情報を取得する方法。
流体の流れに関する情報を連続して記録し、流路内の特定位置における流体の流れの時間変化を測定することを特徴とする請求項１に記載の流体の流れに関する情報の取得方法。
流体の流れに関する情報を流路内の複数点で測定し、演算処理により流体の流れの３次元分布を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体の流れに関する情報の取得方法。
前記梁部の変位量を計測する工程は、前記梁部の撓みと捩れを計測する工程であって、前記梁部に照射したレーザーの反射方向の変化を光検出器で検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体の流れに関する情報の取得方法。
前記梁部の変位量を計測する工程は、前記梁部の撓みと捩れを計測する工程であって、前記梁部上に設けたピエゾ抵抗体の抵抗値の変化で検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体の流れに関する情報の取得方法。
前記梁部先端に固着した物体は、板状部材であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の流体の流れに関する情報の取得方法。
前記梁部先端に固着した物体は、微粒子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の流体の流れに関する情報の取得方法。
前記流体は電気泳動表示装置内の分散媒液であり、前記微粒子は電気泳動表示装置の泳動粒子であることを特徴とする請求項７に記載の流体の流れに関する情報の取得方法。
前記流体は擬似血管内の血液であり、前記微粒子は薬物の微粒子性キャリアであることを特徴とする請求項７に記載の流体の流れに関する情報の取得方法。
流体中において前記流体の流れに応じて複数の方向から抵抗を受ける形状を有する物体を先端に備える梁部と、
前記梁部の変位量を計測するための計測手段とを備えることを特徴とする流体の流れに関する情報の取得装置。