JP2005169219A - マイクロミキサ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化を妨げない構造にて、液体を短時間で充分に混合すること。
【解決手段】 各供給口３，４から供給された各々異なる液体が、微小流路６ａ，６ｂを流れて混合エリア９へ流入され、更に微小流路７を流れて流出口５から流出されるようにする。そして、混合エリア９内に、外部からの何らかの圧力振動に共振する例えばシリコーンゴム等による弾性体１０を固定する。この弾性体１０は、供給口３，４から流出口５へ流れる液体の変動圧力によって振動されるようになっており、この振動によって混合エリア９内の液体を攪拌させるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板上に形成された微小な流路を用いて、微小容量の液体の混合・反応・分離・精製・抽出・分析などを行うためのマイクロミキサに関する。

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、この流路に蓋をすることによって形成される微小空間を、各種液体の混合・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や装置は、その使用目的に応じて、マイクロミキサ、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）等と呼ばれている。

このようなマイクロミキサにおいては、通常、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よりも小さいものが微小流路とされている。このように、流路のスケールが微小化してくると、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得られる。
この特長によって、温度、圧力、濃度などの勾配が大きくなるため、熱伝導、物質移動拡散などの効率が向上し、反応系での反応時間の短縮、反応速度の向上等の利点が得られることになる。更に、微小反応で適量合成が可能であり、高い再現性も得られるので、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でき、経済的にも有効である。

このようなマイクロミキサの構造に関する従来技術として、次のような各種の構造が提案されている。
まず、図１１（ａ）及び（ｂ）に示すような、Ｙ型と呼ばれるマイクロミキサが知られている。
図１１は、Ｙ型マイクロミキサの構成部材を示し、（ａ）は蓋板、（ｂ）は基板の平面図である。図１２は、図１１（ａ）及び（ｂ）に示す蓋板と基板の接合後のマイクロミキサを、（ｂ）に示すＣ１−Ｃ２矢示線に沿って切断した際の断面図である。

このマイクロミキサは、蓋板１と基板２より構成されており、図１１（ｂ）に示すように、基板２に双方でＹ字状となる微小流路６及び混合流路となる微小流路７が形成されている。また、図１１（ａ）に示すように、蓋板１には、微小流路６の先端部に連結する位置に、各種の溶液、薬品、試薬等を微小流路６に供給するための供給口３，４が設けられ、更に、微小流路７の先端部に連結する位置には、混合又は反応した流体を取り出すための流出口５が形成されている。

そして、図１２に示すように、蓋板１と基板２が接合され、供給口３，４から供給された各種液体は、微小流路７で混合され、流出口５から外部に取り出すことができるように、微小流路６及び微小流路７による連続流路が形成されている。
上記のような、等価直径が５００μｍ以下の微小流路内では、レイノルズ数が１０〜数１００程度と極めて小さいため、流れは層流状態である。よって、上記のようなＹ型マイクロミキサにおいては、２つの供給口３，４から供給された液体は、微小流路では２層の流れとなり、その２層の混合は拡散に支配されるため、完全に混合するにはある一定の時間を必要とする。

そこで、その混合時間を短縮するため、２層の流れを平面上で多数に分割して、多数の層流を作ることにより接触面積を増やす方法、また、圧電素子駆動などの外力を利用して、混合を促進する方法などが、提案されている。
図１３は、従来の他のマイクロミキサの構成を示す図であり、（ａ）は基板の平面図、（ｂ）は（ａ）に示す基板に蓋板を接合後のマイクロミキサを、（ａ）に示すＣ３−Ｃ４矢示線に沿って切断した際の断面図である。

この図１３に示すマイクロミキサは、前述の基板２の合流部を拡張することによって混合エリア９を設けた基板８を用いて構成したものである。このようなマイクロミキサにおいては、混合エリア９に対して、図示せぬ圧電素子などによる外力を加えることにより、混合の促進を図っている。
この種の従来のマイクロミキサとして、例えば特許文献１及び非特許文献１に記載のものがある。
特開平１０−３３７１７３号公報 Ｅｒｂａｃｈｅｒ，Ｃ．；Ｂｅｓｓｏｔｈ，Ｆ．Ｇ．;Ｂｕｓｃｈ，Ｍ．；Ｖｅｒｐｏｏｒｔｅ，Ｅ．；Ｍａｎｚ，Ａ．Ｍｉｋｒｏｃｈｉｍ Ａｃｔａ １９９９，１３３，１９．

ところで、従来のマイクロミキサにおいては、微小流路に流れる液体は層流となるので、混合は拡散で支配される。このため、層流状態で混合効率を上げるには流れを幾つにも分割して多数の層流を作り出すか、圧電素子駆動などの外力を利用して液体を攪拌する等の方法によって、混合を効率化することが要求される。
しかし、流れを多数に分割した流路を用いる方法においては、混合のための液体が２種類ではなく多元系に及ぶ場合は、それに対応して多数分割流路を複数配置することになるので、流路基板面積が大となってマイクロミキサ全体が大きくなるという問題がある。

また、圧電素子駆動を利用して液体を攪拌する方法においても、圧電素子の変位が小さ過ぎて液体に充分な振動が伝わらず攪拌能力が弱いので充分に混合することが困難である。このため混合時間が長くなるという問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、小型化を妨げない構造にて、液体を短時間で充分に混合することができるマイクロミキサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１によるマイクロミキサは、液体を供給する貫通穴による１乃至は複数の供給口及び、液体が流出する貫通穴による１乃至は複数の流出口が形成された蓋板と、前記供給口から供給されて流れる液体を、当該液体が混合される凹領域を介した後に前記流出口から流出するための流路となる溝が形成された基板とを有し、前記基板上に前記凹領域及び前記溝を覆って前記流路が形成されるように前記蓋板を貼り合わせて成るマイクロミキサにおいて、前記凹領域に、外部から加えられる変動圧力に応じて振動する少なくとも１つの弾性体を固定し、前記流路を流れる液体の圧力を変動させ、この変動圧力によって前記弾性体を振動させることを特徴としている。

この構成によれば、液体の変動圧力が弾性体に加わると、弾性体が振動して変位し、この変位によって凹領域内の液体が更に攪拌されるので、液体をより混合することができる。
また、本発明の請求項２によるマイクロミキサは、請求項１において、前記液体の変動圧力は、前記弾性体を、当該弾性体の共振周波数、この共振周波数の整数倍の周波数及び整数分の１の周波数のうち何れか１つの周波数で振動させる圧力であることを特徴としている。

この構成によれば、弾性体の伸縮が増幅されるので、凹領域内の液体の攪拌がより促進され、液体がより混合されることになる。
また、本発明の請求項３によるマイクロミキサは、請求項１において、前記弾性体に、電圧印加によって所定周波数で振動する圧電素子を接合したことを特徴としている。
この構成によれば、弾性体が、圧電素子の振動圧力によって振動され、この振動によって凹領域内の液体が更に攪拌されるので、液体をより混合することができる。

また、本発明の請求項４によるマイクロミキサは、請求項１において、前記基板に、前記弾性体を振動可能なように、電圧印加によって所定周波数で振動する圧電素子を固定したことを特徴としている。
この構成によれば、弾性体が、圧電素子の振動圧力によって振動され、この振動によって凹領域内の液体が更に攪拌されるので、液体をより混合することができる。
また、本発明の請求項５によるマイクロミキサは、請求項３または４において、前記圧電素子は、前記弾性体を、当該弾性体の共振周波数、この共振周波数の整数倍の周波数及び整数分の１の周波数のうち何れか１つの周波数で振動させるように振動することを特徴としている。

この構成によれば、弾性体の伸縮が増幅されるので、凹領域内の液体の攪拌がより促進され、液体がより混合されることになる。
また、本発明の請求項６によるマイクロミキサは、請求項１から５の何れか１項において、前記弾性体の表面を多数の凹凸を有する形状としたことを特徴としている。
この構成によれば、弾性体が振動した際に、液体を凹凸部分で攪乱する効果が生じ、液体の攪拌がより促進される。
また、本発明の請求項７によるマイクロミキサは、請求項１から６の何れか１項において、前記供給口及び前記流出口を、前記凹領域に直接貫通及び前記流路を介して貫通する何れかの状態で、前記蓋板及び前記基板の少なくとも１つに形成することを特徴としている。
この構成によれば、マイクロミキサの用途や仕様装置に応じて、供給口及び流出口の配置を変えることによって、その用途や使用装置に適合したマイクロミキサを提供することができる。

以上説明したように本発明によれば、小型化を妨げない構造にて、液体を短時間で充分に混合することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロミキサの構成を示す図であり、（ａ）は基板の平面図、（ｂ）は（ａ）に示す基板に図示せぬ蓋板を接合後のマイクロミキサを、（ａ）に示すＤ１−Ｄ２矢示線に沿って切断した際の断面図である。
但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を省略する。
図１に示すマイクロミキサが、図１３に示した従来のマイクロミキサと異なる点は、混合エリア９の底面に、四角柱形状の弾性体１０を設置して固定したことにある。但し、弾性体１０の個数は複数個であってもよく、弾性体１０の形状は、四角柱である必要は無く、多角形の柱形状、円柱形状などの立体形状であってもよい。

弾性体１０は、外部からの何らかの圧力振動に共振する例えばシリコーンゴム等によるものである。この弾性体１０は、供給口３，４から流出口５へ流れる液体（流体）の変動圧力によって振動されるようになっており、この振動によって混合エリア９内の液体を攪拌させるものである。
また、液体の変動圧力の周波数は、弾性体１０の共振周波数或いは、共振周波数の整数倍又は整数分の１に一致させるのが好ましい。このように一致させることによって、弾性体１０の伸縮が増幅され、液体の攪拌がより促進されるからである。

このような構成のマイクロミキサにおいて、液体の変動圧力が弾性体１０に加わると、弾性体１０が振動して変位し、この変位によって混合エリア９内の液体が更に攪拌されるので、液体をより混合することができる。
また、液体の変動圧力の周波数を、弾性体１０の共振周波数或いは、共振周波数の整数倍又は整数分の１とすると、弾性体１０の伸縮が増幅されるので、混合エリア９内の液体の攪拌がより促進され、液体がより混合されることになる。
従って、第１の実施の形態のマイクロミキサによれば、マイクロミキサの小型化を妨げない構造にて、液体を短時間で充分に混合することができる。
この他、図２に示すように、弾性体１０を混合エリア９の底面と対向する蓋板１の面に固定しても、上記同様の効果を得ることができる。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロミキサの構成を示す断面図である。
図３に示す第２の実施の形態のマイクロミキサが、図１に示した第１の実施の形態のマイクロミキサと異なる点は、弾性体１０の下面に圧電素子１１を一体に接合し、これを混合エリア９の底面に設置して固定したことにある。
つまり、弾性体１０は、圧電素子１１の振動圧力によって振動され、この振動によって混合エリア９内の液体を攪拌させるようになっている。

また、圧電素子１１の振動周波数は、弾性体１０の共振周波数或いは、共振周波数の整数倍又は整数分の１に一致させるのが好ましい。このように一致させることによって、弾性体１０の伸縮が増幅され、液体の攪拌がより促進されるからである。
このような構成のマイクロミキサにおいて、圧電素子１１の振動圧力が弾性体１０に加わると、弾性体１０が振動して変位し、この変位によって混合エリア９内の液体が更に攪拌されるので、液体をより混合することができる。

また、圧電素子１１の振動周波数を、弾性体１０の共振周波数或いは、共振周波数の整数倍又は整数分の１とすると、弾性体１０の伸縮が増幅されるので、混合エリア９内の液体の攪拌がより促進され、液体がより混合されることになる。
従って、第２の実施の形態のマイクロミキサによれば、マイクロミキサの小型化を妨げない構造にて、液体を短時間で充分に混合することができる。
なお、圧電素子１１の固定位置は、弾性体１０の下面以外でも、上記のように弾性体１０を振動可能であれば弾性体１０の何処でもよい。

（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態に係るマイクロミキサの構成を示す断面図である。
図４に示す第３の実施の形態のマイクロミキサが、図１に示した第１の実施の形態のマイクロミキサと異なる点は、上記基板８の混合エリア９の底面に対向する部分を、符号１２ａで示すような薄板状に成形した基板１２を用い、弾性体１０の固定部分に対向する薄板状部分１２ａの下面に圧電素子１１を固定したことにある。

つまり、弾性体１０は、薄板状部分１２ａを介して圧電素子１１の振動圧力によって振動され、この振動によって混合エリア９内の液体を攪拌させるようになっている。
また、圧電素子１１の振動周波数は、弾性体１０の共振周波数或いは、共振周波数の整数倍又は整数分の１に一致させるのが好ましい。このように一致させることによって、弾性体１０の伸縮が増幅され、液体の攪拌がより促進されるからである。

このような構成のマイクロミキサにおいて、圧電素子１１の振動圧力が薄板状部分１２ａを介して弾性体１０に加わると、弾性体１０が振動して変位し、この変位によって混合エリア９内の液体が更に攪拌されるので、液体をより混合することができる。
また、圧電素子１１の振動周波数を、弾性体１０の共振周波数或いは、共振周波数の整数倍又は整数分の１とすると、弾性体１０の伸縮が増幅されるので、混合エリア９内の液体の攪拌がより促進され、液体がより混合されることになる。
従って、第３の実施の形態のマイクロミキサによれば、マイクロミキサの小型化を妨げない構造にて、液体を短時間で充分に混合することができる。
なお、圧電素子１１の固定位置は、弾性体１０を上記のように振動可能であれば基板の何処でもよい。

（第４の実施の形態）
図５は、本発明の第４の実施の形態に係るマイクロミキサの構成を示す断面図である。
図５に示す第４の実施の形態のマイクロミキサが、図１に示した第１の実施の形態のマイクロミキサと異なる点は、上記弾性体１０に代え、側面を波型に成形した弾性体１３を混合エリア９に載置固定したことにある。
このような弾性体１３は、側面が波型の凹凸が多い形状であるため、振動時に液体を凹凸部分で攪乱する効果が生じる。これによって、液体の攪拌がより促進される。
従って、第４の実施の形態のマイクロミキサによれば、マイクロミキサの小型化を妨げない構造にて、液体をより短時間で充分に混合することができる。
この他、弾性体を凹凸の多い表面形状とした変形例を図６に示す。この図６に示す弾性体１４は、側面をネジ型に成形したものである。このようなネジ型形状によっても、振動時に液体を凹凸部分で攪乱する効果が生じ、液体の攪拌がより促進される。

（第５の実施の形態）
図７は、本発明の第５の実施の形態に係るマイクロミキサの構成を示す断面図である。
図７に示す第５の実施の形態のマイクロミキサが、図１に示した第１の実施の形態のマイクロミキサと異なる点は、上記基板８の液体供給側の各微小流路６の一端に基板８の下面から貫通する各供給口３ａ，４ａと、液体流出側の微小流路７の一端に下面から貫通する流出口５ａを形成した基板１６と、上記蓋板１の各供給口３，４及び流出口５を無くした何も形成されていない蓋板１５とを張り合わせて構成したことにある。

このような、第５の実施の形態のマイクロミキサにおいては、各供給口３ａ，４ａ及び流出口５が基板１６の下面に開口しているので、第１の実施の形態のマイクロミキサ構成では不可能な用途や仕様部材に適合させることができる。この蓋板１５と基板１６から成るマイクロミキサ構成は、上記第２〜第４の実施の形態においても適用することができる。
つまり、マイクロミキサの用途や仕様装置に応じて、供給口及び流出口の配置を変えることによって、その用途や使用装置に適合したマイクロミキサを提供することができる。
このような効果を奏する第５の実施の形態の変形例を図８〜図１０に示し、その説明を行う。

図８は、本発明の第５の実施の形態の変形例１に係るマイクロミキサの構成を示す断面図である。
図８に示すマイクロミキサは、基板１７を、液体供給側の各微小流路６ｂと、液体流出側の微小流路７ｂとを基板側面まで貫通させて形成することによって、基板側面に各供給口３ｂ，４ｂ及び流出口５ｂを設けて構成したことにある。
図９は、本発明の第５の実施の形態の変形例２に係るマイクロミキサの構成を示す断面図である。

図９に示すマイクロミキサは、基板１９を、図１に示した混合エリア９から流出口５に繋がる微小流路を無くして形成し、また、蓋板１８を、流出口５ｃの位置を混合エリア９に貫通する位置にして形成したことにある。
図１０は、本発明の第５の実施の形態の変形例３に係るマイクロミキサの構成を示す断面図である。
図１０に示すマイクロミキサは、基板２１を、図１に示した全ての微小流路６，７を無くし、混合エリア９の底面から下面に貫通して流出口５ｄを形成し、また、蓋板２０を、流出口５ｃを無くし、各流出口５の位置を混合エリア９に貫通する位置にして形成したことにある。なお、この構成おいては、弾性体１０が混合エリア９に対向する蓋板２０の面に固定されている。

本発明の第１の実施の形態に係るマイクロミキサの構成を示す図であり、（ａ）は基板の平面図、（ｂ）は（ａ）に示す基板に図示せぬ蓋板を接合後のマイクロミキサを、（ａ）に示すＤ１−Ｄ２矢示線に沿って切断した際の断面図である。 第１の実施の形態の変形例に係るマイクロミキサの基板の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るマイクロミキサの基板の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るマイクロミキサの基板の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るマイクロミキサの基板の構成を示す断面図である。 第４の実施の形態の変形例に係るマイクロミキサの基板の構成を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係るマイクロミキサの基板の構成を示す断面図である。 第５の実施の形態の変形例１に係るマイクロミキサの基板の構成を示す断面図である。 第５の実施の形態の変形例２に係るマイクロミキサの基板の構成を示す断面図である。 第５の実施の形態の変形例３に係るマイクロミキサの基板の構成を示す断面図である。 従来のＹ型マイクロミキサの構成部材を示し、（ａ）は蓋板、（ｂ）は基板の平面図である。 図１１（ａ）及び（ｂ）に示す蓋板と基板の接合後のマイクロミキサを、（ｂ）に示すＣ１−Ｃ２矢示線に沿って切断した際の断面図である。 （ａ）は従来のＹ型マイクロミキサの合流箇所に混合エリア部を設けた基板の平面図、（ｂ）は（ａ）に示す基板に蓋板を接合した後のマイクロミキサを、（ａ）に示すＣ３−Ｃ４矢示線に沿って切断した際の断面図である。

符号の説明

１，１５，１８，２０ 蓋板
２，８，１２，１６，１７，１９，２１ 基板
３，４，３ａ，４ａ，３ｂ，４ｂ 供給口
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 流出口
６，６ｂ，７ｂ 微小流路
９ 混合エリア
１０，１３，１４ 弾性体
１１ 圧電素子
１２ａ 薄板状部分

Claims (7)

1. 液体を供給する貫通穴による１乃至は複数の供給口及び、液体が流出する貫通穴による１乃至は複数の流出口が形成された蓋板と、前記供給口から供給されて流れる液体を、当該液体が混合される凹領域を介した後に前記流出口から流出するための流路となる溝が形成された基板とを有し、前記基板上に前記凹領域及び前記溝を覆って前記流路が形成されるように前記蓋板を貼り合わせて成るマイクロミキサにおいて、
   前記凹領域に、外部から加えられる変動圧力に応じて振動する少なくとも１つの弾性体を固定し、
   前記流路を流れる液体の圧力を変動させ、この変動圧力によって前記弾性体を振動させる
   ことを特徴とするマイクロミキサ。
2. 前記液体の変動圧力は、前記弾性体を、当該弾性体の共振周波数、この共振周波数の整数倍の周波数及び整数分の１の周波数のうち何れか１つの周波数で振動させる圧力である
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロミキサ。
3. 前記弾性体に、電圧印加によって所定周波数で振動する圧電素子を接合した
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロミキサ。
4. 前記基板に、前記弾性体を振動可能なように、電圧印加によって所定周波数で振動する圧電素子を固定した
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロミキサ。
5. 前記圧電素子は、前記弾性体を、当該弾性体の共振周波数、この共振周波数の整数倍の周波数及び整数分の１の周波数のうち何れか１つの周波数で振動させるように振動する
   ことを特徴とする請求項３または４に記載のマイクロミキサ。
6. 前記弾性体の表面を多数の凹凸を有する形状とした
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のマイクロミキサ。
7. 前記供給口及び前記流出口を、前記凹領域に直接貫通及び前記流路を介して貫通する何れかの状態で、前記蓋板及び前記基板の少なくとも１つに形成する
   ことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のマイクロミキサ。

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