JP2007162839A - ジョイント構造、その製造方法およびマイクロ流体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 着脱が容易であるとともに、高圧耐腐食性に優れたジョイント構造、その製造方法およびそれを用いたマイクロ流体装置を提供すること。
【解決手段】 マイクロ流体デバイスの開孔口と外部チューブとを接続するジョイント構造であって、前記開孔口に当接して長手方向に形成された流路で前記外部チューブまでの開口路を確保する弾性体と、前記弾性体の周囲に配設されるとともに前記マイクロ流体デバイスに固着される強度材と、前記弾性体が前記強度材により圧縮の余圧をかけた状態で一体化され、かつ強度材がマイクロ流体デバイスに固着されるときに弾性体が上方から狭圧される状態にあることを特徴とするジョイント構造で構成されるので、迅速かつ繰り返し着脱が容易であるとともに、高圧耐腐食性に優れたジョイント構造を提供することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ流体デバイスの開孔口と外部チューブとをつなぐ高圧耐腐食性に優れ、マイクロ流体デバイスと外部チューブとの脱着が容易で繰り返し可能なジョイント構造、ジョイント構造の製造方法及びそのジョイント構造を用いたマイクロ流体装置に関するものである。

従来から種々のマイクロ流体装置のデバイス、その製造方法が提案されている。これらの中で、シリコン、ガラスまたはセラミックスなどの硬脆材料からなる平板上に２次元の微細溝加工を施し、その２枚又は蓋材を接合することで流体の流路を形成する方式が大半を占めている。

マイクロ流体装置は、デバイスの基板に形成したマイクロ、ナノスケールの複数のチャンネルを用いて化学反応や混合・分離等を行う装置であり、デバイスのサイズを微小化することにより表面積／体積比率を増大することで熱移動や物質移動の高速化が起こり、その結果として系中の温度分布や濃度分布が均一になるまでの所要時間が極めて短くなると云う特徴を有している。
これらは通常のサイズの装置と比較して反応や混合等の単位操作における高速度化や高効率化が期待される。また同様に化学分析や機器分析に必要な分離・抽出等の単位操作も高速度かつ高効率に行うことが期待されている。

マイクロ流体装置での生産活動は、従来の化学製造業における通常サイズのバッチ式や連続式での生産体制よりも高速度で、かつ高効率で行えることが期待され、各種基礎検討が進められており、一部には実際の生産への検討が試みられている（例えば、非特許文献１参照）。

また、デバイスのサイズを微小化することで投入される試料が強い毒性や鋭敏な反応性を有するなど危険性の高い試料に関して高感度かつ高効率で分離や抽出が可能であるならば使用する試料の量の削減が可能であるため、実験者や実験装置などへの負荷を低減できると同時に少ない量で実験回数の増加が可能であり再現性等が向上すると期待される。

特に、人由来の試料を分析対象とする場合には、人間への負担という観点から分析試料の量を低減できることは極めて重要である。人由来の試料の場合にはこれと同時に高速度化高感度化は強い要求であり、治療医学よりも予防医学に重心を移す社会体制の変化から近年ますますその重要度は増加している。

環境分析や飲食物の化学分析においてもこの傾向は同様であり、試料量の問題は別にしても高速度化高感度化の要求は年々厳しくなってきている。
これらの要求に対応できる技術の一つにマイクロ流体装置による分析があり、この分野でもマイクロ流体装置への期待は大きい。マイクロ流体装置を用いた分析の場合にはデバイスのサイズを微小化することで全体のサイズが小さくなるため何種類ものマイクロ流体デバイスを平板上に同時に製造することが可能であり、これにより少ない試料でも多種類や多重分析を同時に高速度高感度で行うことが提案されている。

この様に優れた特徴を持ち将来を期待されているマイクロ流体装置において、反応や抽出などの物質移動の単位操作等は流体シミュレーションなど用いて論理的な裏付けやＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）と呼ばれる半導体製造プロセス技術を用いた１つの基板上に電気電子技術と機械機構を融合させた微小デバイスを製造する技術の応用または転用が進められているが、現状では周辺技術等は十分に検討されるに到っていない。

例えば、このようなマイクロ流体装置における流体の出入口は、装置側面ではなく平板面に開孔口として設けられることが多い。この開孔口と外部チューブとの接続には、平板上に取っ掛かりがないことから工夫を要する。

従来からの一般的なマイクロ流体装置では、市販の継手を用いて接着剤で貼り付ける方法が主に採られている。ところが、この方法では、接着強度の長時間・繰り返し使用に対する信頼性に問題があった。また、継手中を流れる流体が継手自体や接着剤を溶解もしくは腐食する場合があった。さらに、接着することによって外部チューブを繰り返し脱着できないという問題もあった。

そのために接着剤を用いないジョイント構造がいくつか提案されている。
例えば、開孔口に樹脂等の弾性体で中空の突起物を形成し、その上にメッキ膜を付け、次いで前記の弾性体を除去することで、外部チューブを接続するための金属製の取っ掛かりとする構造である（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１４４３００号公報 有機合成化学協会誌 第５７巻第９号（１９９９年）第９５頁

従来の上記したマイクロ流体装置のジョイント構造では、製造工程が複雑であり、弾性体の硬化にＵＶ硬化装置を用いる等、製造コストがかかるという問題があった。また機能面では、流体とメッキ金属が接することで腐食による劣化や金属の溶出による流体の汚染に留意する必要があった。また、構造的には平板にパイプが立っている片持ち支持であるために、パイプに曲げ力が作用した場合に根元で折れ易いという問題もあった。
この発明は上記に鑑み提案されたもので、マイクロ流体デバイスと外部チューブの脱着を迅速かつ容易に行えるとともに、高圧耐腐食性に優れたマイクロ流体デバイスのジョイント構造、その作製が容易な製造方法およびマイクロ流体装置を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明はマイクロ流体デバイスの開孔口と外部チューブとを接続するジョイント構造であって、前記開孔口に当接して長手方向に形成された流路で前記外部チューブまでの開口路を確保する弾性体と、前記弾性体の周囲に配設されるとともに前記マイクロ流体デバイスに固着される強度材とからなり、前記弾性体が前記強度材により圧縮の余圧をかけた状態で一体化され、かつ強度材がマイクロ流体デバイスに固着されるときに上方から狭圧される状態にあることを特徴とするジョイント構造である。

また、本発明において、前記弾性体は、形成された流路中を流れる流体に対して耐腐食性を有することを特徴としている。

また、本発明において、前記弾性体が周囲に配設された強度材により圧縮の余圧をかけた状態で一体化された構造が嵌合によるものであることを特徴とする。

また、本発明において、前記弾性体が上方から狭圧される構造が、螺合によるものであることを特徴とする。

また、本発明において、前記弾性体と強度材とのヤング率の比が０．７５以下であることを特徴とする。

また、本発明のジョイント構造の製造方法において、弾性体と強度材とを嵌合する嵌合工程と、嵌合された弾性体の中心軸を穿孔する穿孔工程と、穿孔された弾性体の一方の端面をマイクロ流体デバイスに密着させるための加工工程および弾性体の他方の端面から内に外部チューブと接続するための加工工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明において、前記嵌合工程が締まり嵌めであることを特徴とする。

また、本発明のマイクロ流体装置において、マイクロ流体デバイスと、該マイクロ流体デバイスの開孔口に接続された請求項１〜５に記載のジョイント構造と、該ジョイント構造に接続された外部チューブとを備えたことを特徴とする。

この発明は前記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。

１）本発明では、マイクロ流体デバイスの開孔口と外部チューブとを接続す
るジョイント構造であって、前記開孔口に当接して長手方向に形成された流路で前記外部チューブまでの開口路を確保する弾性体と、前記弾性体の周囲に配設されるとともに前記マイクロ流体デバイスに固着される強度材とからなり、前記弾性体が前記強度材により圧縮の余圧をかけた状態で一体化され、かつ強度材がマイクロ流体デバイスに固着されるときに上方から狭圧される状態にあることから構成され、弾性体が強度材により、その変形を拘束して補強されているので、流体を流す際に高圧力にしても流体の漏れがなく、また弾性体の破裂を防止することができる。また弾性体の周囲（外側）が強度材で構成されていることから曲げ力が作用しても根元で折れることがなく強度的にも優れている。さらに強度材が上方から狭圧されることから、それと一体化している弾性体がマイクロ流体デバイスに密着して固着されるので、その接続部分で流体の漏れを防ぐことができる。

２）また、本発明において、前記弾性体は、形成された流路中を流れる流体に対して耐腐食性を有するので、前記の効果に加えてジョイントが使用する流体によって腐食される虞れもない。

３）また、本発明において、弾性体が周囲に配設された強度材により圧縮の余圧をかけた状態で一体化された構造が嵌合によるものであることから、前記の効果に加えて、流体を流す際に高圧力にしても弾性体の破裂をさらに防止することができ、曲げ力が作用しても根元で折れることもさらに防止することができる。
４）また、本発明において、前記弾性体が上方から狭圧される構造が、強度材とデバイスとの螺合によるものであることから前記の効果に加えて、弾性体をデバイスの開口孔に強く密着することができ、弾性変形による両者の密着により、流体の圧力を高くした場合、外部に流体が漏れ出す圧力（以下漏れ圧力と称する）をさらに高くすることができる。

５）また、本発明において、前記弾性体と強度材とのヤング率の比が０．７５以下であるので、前記の効果に加えて、後記の製造方法により弾性体に充分な余圧を付与することができる。

６）また、本発明のジョイント構造の製造方法において、弾性体と強度材とを嵌合する嵌合工程と、嵌合された弾性体の中心軸を穿孔する穿孔工程と、穿孔された弾性体の一方の端面をマイクロ流体デバイスに密着させるための加工工程および弾性体の他方の端面から内に外部チューブと接続するための加工工程とを含む製造方法であるので、容易にジョイントを製造することができる。また得られたジョイントは前記の効果を有している。
７）前記製造方法において、前記の効果に加えて、前記ヤング率の比の要件とともに、嵌合工程を締まり嵌めとすることによって弾性体に充分な余圧を付与することができる。

８）また、本発明のマイクロ流体装置において、マイクロ流体デバイスと、該マイクロ流体デバイスの開孔口に接続された前記１）〜５）に記載のジョイント構造と、該ジョイント構造に接続された外部チューブとを備えたので、マイクロ流体デバイスと外部チューブとの脱着を迅速かつ容易に行うことができる。また、マイクロ流体装置の製造も容易に行うことができる。更に、高圧反応にも使用することができる。

以下に本発明を具現化した実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係るマイクロ流体装置のジョイントの一例を示す一部を切欠いた説明図、図２は本発明のマイクロ流体装置の組立断面図である。ここでジョイント１０は、マイクロ流体デバイス１１の開孔口１２と外部チューブ１３とを接続するものであって、開孔口１２に当接して長手方向に形成された流路１４で前記外部チューブ１３までの開口路を確保する弾性体１５と、前記弾性体１５の周囲に配設されるとともに前記マイクロ流体デバイス１１に固着される強度材１６とから構成され、図２ではさらに前記弾性体１５の上端に形成された凹部１５ａに配置されるとともに前記外部チューブ１３の周囲を覆うフェルール１７と、前記外部チューブ１３を挿通するとともに前記強度材１６に固着されてフェルール１７および弾性体１５を押圧し、外部チューブ１３の先端を弾性体１５の流路１４に連通して固定するフェルール固定部材１８も示している。

強度材１６は、円筒形をしており、下端外周に形成された雄ネジ１９で、マイクロ流体デバイス１１の周囲に取り付けられホルダ２０の雌ネジ２０ａに螺合される。また、強度材１６の上端内側には、フェルール固定部材１８を螺合するための雌ネジ２１が形成されている。強度材１６の内筒には、開孔口１２に連通する流路１４が長手方向に形成された弾性体１５が嵌挿されている。弾性体１５は、流路１４内を流す流体に対して耐腐食性を持つ材質で構成されるとともに、下端に強度材１６の内径より大きなフランジ１５ｂが突き出ている。したがって、ホルダ２０に螺合した場合に、弾性体１５が直接マイクロ流体デバイス１１に当接する。

本実施例においてフェルール固定部材１８には、外部チューブ１３を固定するためにチューブ固定ネジ２２が設けられている。フェルール１７への締め込みが不十分な状態で外部チューブ１３に高圧力が加えられた際に、このチューブがジョイント１０から抜けて飛び出るトラブルをこのチューブ固定ネジ２２により防止することができる。

また、弾性体１５の流路１４は、弾性体１５および強度材１６の中心軸Ｃ上に位置し、その上部にはフェルール１７が密着しながら固定できるような円錐状の凹部１５ａ（図１中では頂角をαとする）が形成されている。本実施例において、凹部１５ａは約３０度の角度でテーパー穴加工されている。

本発明に使用される弾性体１５としては、流体と直接接することになるために、流体に対して耐腐食性を持つ材質を用いるが、その他に流す流体の温度や圧力にも配慮して選択する。例えば、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂等の有機系素材が汎用的であるが、強度材１６をステンレス鋼などの強い素材で製作することで、金、銀、銅などの貴金属、アルミニウム、錫、鉛等の軟質金属及びグラファイトや六方晶窒化ホウ素等の軟らかい無機素材も弾性体１５として使用することができ、特定の用途では温度、圧力、酸・アルカリ度等の個々における耐性を飛躍的に高めることに特化できる。

ただし、耐腐食性や熱的安定性や流体に対する汚染防止等の一般的な要求においてシリコーン樹脂やフッ素樹脂はかなり優れた特性を同時に兼ね備えた素材であるため実際上は多くの用途に適用が可能である。本実施例ではフッ素樹脂の一つであるポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））を用いている。

強度材１６と弾性体１５の組み合わせとしては弾性的変形挙動を勘案して決定することが望ましい。具体的な強度材１６としては、加工性や価格の面から優位性を有する材料として金属系材料があり、ヤング率が１００ＧＰａから２００ＧＰａ付近の材料を使用することができる。強度材１６の選定は、前述の加工性や強度に関する要件を満たせばよく、弾性体１５は強度材１６より弾性的であることが必要である。その結果、弾性体１５のヤング率が強度材１６のヤング率より小さいことが必要である。

この要件を満たしていれば弾性体１５と強度材１６の組み合わせは、金属強度材と金属弾性体でも非金属強度材と非金属弾性体等に特に拘らず、金属と非金属の組み合わせを自由に選択することができる。

例えば、軟鋼はヤング率２００ＧＰａ付近であるが、これを強度材１６とした場合に使用可能な弾性体１５としては銅・銀・金等の貴金属やアルミニウム・スズ・鉛などに代表される軟質金属でいずれもヤング率が小さい物であるならば十分に弾性体としての機能を発揮することが出来る。また、グラファイトや六方晶窒化硼素に代表される無機材料やフッ素樹脂・ポリエチレン樹脂に代表される有機材料の様なものでも十分に機能を発揮することが出来る。

弾性体材料と強度材の組み合わせにおいてヤング率の比は、０．７５以下であることが望ましく（弾性体／強度材＝銅／軟鉄＝１３５ＧＰａ ／２００ＧＰａ ＝０．６７５）である。また、弾性体１５の押圧によるマイクロ流体デバイス１１側への密着性の観点も考慮すると更に好ましくは０．５０以下である。

フッ素樹脂やポリエチレン樹脂に限らず有機材料としては他にポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられるが、耐腐食性や熱的安定性や加工性等の観点からシリコーン樹脂やフッ素樹脂が好ましい。

また、ニトリルゴム（バイトン；登録商標）の様な安価でかつ弾性的性質に富み加工性に優れた特性を有しているものの、流す流体に対する耐腐食性から使用できない素材であっても上記の様に表面をフッ素樹脂などで被覆するなどして積層化を行い、その表面をフッ素樹脂層とすることで同等の耐腐食性を発揮させながら、その下地である素材の優れた弾性的性質からマイクロ流体デバイス１１側への密着性は十分に発揮される。

また、温度が高い環境で使用する場合には、炭素材料やセラミックスの無機材料や金属材料の使用が好ましい。また、金属同士の強度材１６と弾性体１５の組み合わせはその熱伝導性の高さから、高温下での反応や発熱を伴う反応直後の冷却に好適である。

また、ジョイント１０のマイクロ流体デバイス１１への接続方式としては、各種の実施態様を示すことができる。
例えば、図２に示す接続方式は、マイクロ流体デバイス１１を保持するホルダ２０を利用し、それに設けた雌ネジ２０ａと、強度材１６の下方外周に設けた雄ネジ１９を螺合する方式（内ネジ方式）である。なお、本実施例ではマイクロ流体デバイス１１を保持するホルダ２０は、ホルダの下側２０ｂとホルダの上側２０ｃとで挟み込み、ホルダ開閉ネジ２３により固定される。マイクロ流体デバイス１１のデバイス内流路２４の開孔口１２と雌ネジ２０aが対応するようにホルダの上側２０cを製作する。

以上のように構成されたジョイント１０は、強度材１６の上から外部チューブ１３の挿通固定されたフェルール固定部材１８が螺合される。フェルール固定部材１８の螺合に伴って、外部チューブ１３の先端に取り付けられたフェルール１７を押圧しながら前進し、弾性体１５の流路１４と外部チューブ１３が連通する。
更に、図２に示すようにホルダ２０の雌ネジ２０ａに強度材１６の雄ネジ１９を螺合することにより、マイクロ流体デバイス１１の上面２５に形成された開口孔１２に弾性体１５の下端が密着して押し付けられ、弾性体１５の中央に形成された流路１４と連通する。このジョイント１０をホルダ２０に螺合することで、弾性体１５は上方から狭圧された状態でマイクロ流体デバイス１１の上面２５にある開口孔１２に接続され、マイクロ流体デバイスのデバイス内流路２４に流体を供給する。

図３は、本発明のマイクロ流体装置の第２の実施形態を示す縦断面図である。なお、第１の実施形態と同じ構成であるジョイント１０については、同一符号を使用してその説明を省略する。本実施形態における、ジョイント１０のマイクロ流体デバイス１１への接続方式としては、ホルダ２０を使用することなく、弾性体１５の流路１４と連通させるマイクロ流体デバイス１１の上面２５にある開口孔１２と中心を合せて、ジョイント固定ネジ２６を接着剤で貼り付けて接着層３６を形成してマイクロ流体デバイス１１と固定する。このジョイント固定ネジ２６とジョイント１０を螺合させることにより弾性体１５がマイクロ流体デバイス１１の上面２５に狭圧された状態で固定される。

本実施形態による固定では、流路１４を流れる流体に高圧力を加えると接着層３６の上下方向に引張り力が作用し、接着不良の場合は剥離が生じることがあるため、図２に示したホルダ２０に設けられた雌ネジ２０ａにジョイント１０を螺合するものと比べて信頼性には劣るが、ホルダ２０を省略できるためにシステム全体の厚みを薄くすることができ、流体に加える圧力がそれほど高くない場合に有効である。

図３に示す例では、フェルール固定部材１８と強度材１６の上方内周にある雌ネジ２１の螺合により固定した例である。すなわち弾性体１５に掘られたテーパー状の凹部１５ａにフェルール１７をはめ込み、前記の螺合により上部から狭圧すると両者は密着しながら固定され、弾性体１５と外部チューブ１３との接続部で流体が漏れるのを防ぐ役目をする。また、市販のフェルール固定部材１８を使用する際にも、チューブ固定ネジ２２を取り付けられるようにこの機械加工を追加して施すと良い。

図４は、本発明のマイクロ流体装置の外部チューブの固定方法を示す第３の実施形態の縦断面図である。フェルール１７の固定方法、つまり図２〜図３で採用したフェルール固定部材１８を使用する方法は内ネジ方式であり、市販されているフェルール固定部材１８の転用を可能とする方式である。しかし、この固定方法以外に外ネジ方式の固定方法でもよい。
本実施形態は、この外ネジ方式の固定構造の一例を示すものである。なお、図４において、前述の内ネジ方式と同じ部分については、同一符号を付して説明を省略する。本実施形態において、雄ネジ部１６ａを強度材１６の上方外周に設ける。つまり、フェルール固定部材２７の外周に凸部２８が設けられており、強度材１６の上方外周に設けた雄ネジ部１６ａとフェルール押さえリング２９の雌ネジを螺合することにより、フェルール固定部材２７が下方に押され、フェルール１７が狭圧されフェルール１７と弾性体１５は密着しながら固定される。

以上のように構成した場合、フェルール固定部材２７に外部チューブ１３およびフェルール１７を取り付けた状態で、フェルール固定部材２７を回転させることなく、フェルール押さえリング２９のみを回転するだけで押圧固定することができる。したがって、取り付け作業が容易である。

次に、本発明に用いられる強度材１６について説明する。
通常は機械加工が容易であるため金属材、例えば黄銅に代表される銅合金、ジュラルミンに代表されるアルミニウム合金およびステンレス鋼に代表される鉄系材料等が用いられ、必要とする強度に応じて選択される。これらの金属材は切削加工やネジ切り加工が可能であるため、図１及び後述する図８に示す構造のジョイントを製作することは容易である。

ところが、マイクロ流体デバイスの特定の用途においては、伝熱が問題となることがある。流す流体の保温が大事である場合に強度材を伝熱性が良い金属材とすることは、熱が逃げやすくなるため不都合であり、代替としてガラスやセラミックスなどの伝熱性の悪い材質を強度材として使用するのが好ましい。図１及び図８の構造は２箇所のネジ構造を持つため製作上の手間からコスト的に不利である。

また、強度材の加工においてその形状はマイクロ流体デバイスの大きさや使用目的に合せて適宜決めることができるが、特別な理由がない限り円筒状であることが好ましく、製作上の加工の容易さや出来上がった加工品の精度及び信頼性に軸対称構造は優れた特性を有する。

次に、本発明のジョイントの製造法について説明する。
本発明のジョイントの製造法は、弾性体と強度材とを嵌合する嵌合工程と、嵌合された弾性体の中心軸を穿孔する穿孔工程と、穿孔された弾性体の一方の端面をマイクロ流体デバイスに密着させるための加工工程および弾性体の他方の端面から内に外部チューブと接続するための加工工程とを含むものである。

図５、図６は、前記図１の構造を持つジョイント１０の製造方法の一例を示す部品図である。図５は、本発明のジョイント１０の外側を構成することになる黄銅製の強度材１６の一例を示す図であり、図６はジョイント１０の内側を構成することになる弾性体１５としてのテフロン（登録商標）のプラグを示す図である。図７は、これらの部品を互いに嵌合して後加工を施すための部品組立図であり、これに前述の嵌合工程、穿孔工程、加工工程を行うと図１に示すジョイント１０が製作できる。

図５に示される強度材１６の下方外周にネジ切りを行って雄ネジ１９を形成する。雄ネジ１９は、例えば図３の接続構造においてマイクロ流体デバイス１１の上面２５にある開口孔１２に中心を合せて接着剤で貼り付けられたジョイント固定ネジ２６と螺合させるためのものである。一方、内側には弾性体１５を嵌合するための直径ａ１の貫通孔３０を開ける。また上方内周には外部チューブ１３の先端に取り付けられるフェルール１７を狭圧しながら固定するために雌ネジ２１をネジ切り加工する。

次に、弾性体１５のプラグは、図６に示されるように下端に強度材１６の内径より大きな直径ｂ３のフランジ１５ｂを有する形状に加工する。弾性体１５の先端部をテーパー状にわずかに細めるのは、室温においてもプラグの先端の一部が強度材１６に容易にはまり込むようにするためである。
棒状体の外形は、前記の強度材１６の内径よりも大きな径である。弾性体１５の外径を強度材１６の外径より大きな径とすることで、嵌合したときに圧縮の与圧を弾性体１５にかけることができる。前記弾性体１５の外径と強度材１６の内径との関係は用いる弾性体１５及び強度材１６の材質や両者の大きさ等の形状や熱膨張の差等を考慮して適時決定することができる。

例えば、本実施形態で強度材１６として黄銅を用いた場合には、図５に示されるａ１は４．４ｍｍ、ａ２は１０ｍｍで、また弾性体１５としてテフロン（登録商標）を用いた場合には、図６に示されるｂ１は約４．２ｍｍ、ｂ２は４．７ｍｍ、ｂ３は約６．０ｍｍとした例である。次に、図５に示される強度材１６に図６に示す弾性体１５を嵌合して図７に示す状態に機械加工する。

前述の嵌合工程では、内側の弾性体１５が外側の強度材１６により圧縮の余圧がかけられた状態で固定するために、締まり嵌めの手段を用いる。この締まり嵌めの手段としては、弾性体１５のプラグと外側の強度材１６を冷媒等により冷却し、熱膨張の程度の差を利用して両者の間に隙間を作りはめ込む、いわゆる冷やし嵌めの他に、前述ように弾性体１５のプラグ先端の一部が強度材１６に挿入できる寸法にテーパー加工されているため、残りの部分は機械的に圧入する手段もある。これらは通常の機械加工における締まり嵌めの常套手段であるが、冷やし嵌めと圧入の双方を併用した手段や焼き嵌めなども手段として採用することができる。

本実施形態では、強度材１６である黄銅の貫通孔３０に弾性体１５であるテフロン（登録商標）の先端の一部を室温で挿入し、それを液体窒素に浸けて冷却することで、内側のテフロン（登録商標）が外側の黄銅より大きく縮むためさらに挿入することができ、それでも残った約半分の部分は機械的に打ち込み、図６に示すプラグにおいて下方の段付きのフランジ１５ｂの箇所まで強度材１６に圧入する。

次に、嵌合された弾性体１５を上方向からテーパ状に穿孔する。図７に示す加工１ではジョイント１０の中心軸Ｃ上に貫通孔（流路１４）を開けている。この貫通孔（流路）は外部チューブ１３の流路とマイクロ流体デバイス内流路２４を連通させるものである。

次いで弾性体１５の下端面に端面削りを施し（図７の加工２）、切削面１５ｃが長手方向と厳密に垂直となるようにする。このとき下方のフランジ１５ｂ（突出部）の厚さは、用いる弾性体１５の種類や目的とする狭圧力等により適宜決ることができる。この加工によりマイクロ流体デバイス１１の上面と密着が取れる構造とすることができる。さらに削った切削面１５ｃに対して研磨加工を施し、滑らかな面とすることで一層密着の程度が良くなり、同じ狭圧力であってもより高い漏れ圧力が実現できる。

もう一方の端面は、頂角αのドリルにより加工しテーパー穴（凹部）１５ａを設ける（図７の加工３）。通常、用いる市販のチューブ及びフェルールに適合するような頂角のドリルを用いる。例えば、本実施形態では市販の１／１６”のチューブ１３及びフェルール１７を用いたためαは、３０度としている。

次に前記のジョイント１０を用いたマイクロ流体装置について説明する。本発明におけるマイクロ流体デバイス１１は、従来のマイクロ流体デバイスと同様にして使用することができる。すなわちマイクロ流体デバイス１１の開孔口１２に直接接続され、またはホルダを介して接続された前記のジョイント１０と、このジョイント１０に接続された外部チューブ１３とを備えたものである。ここで、マイクロ流体デバイス１１への接続方式は前記図２及び図３で説明したように、ジョイント１０がマイクロ流体デバイス１１を保持するホルダに接続する構造でも、また図３のように、ジョイント１０をマイクロ流体デバイス１１にジョイント固定ネジ２６を介して接続する方式でもよい。
ここで、使用するマイクロ流体デバイス１１としては、従来から公知のデバイスをすべて対象とすることができる。

以上説明したように、本発明のジョイント１０は、弾性体１５と強度材１６とから構成され、弾性体１５が外側から圧縮の与圧がかけられた状態で固定され、かつ上方から狭圧された状態でマイクロ流体デバイス１１に接続されるために、流体の漏れがなく、強度的にも優れている。
また、弾性体として流体に対して耐腐食性の（不活性な）材質を用いることにより耐腐食性にも優れる。
また、その製造方法は、弾性体１５と強度材１６とを嵌合する嵌合工程と、弾性体１５を穿孔する穿孔工程と、弾性体１５の両端を加工する加工工程とからなるために製作が容易であるという特徴を有している。さらに本発明のマイクロ流体装置は、前記のジョイント１０を備えたものであるためにマイクロ流体装置として最適なものである。

図８は、本発明のマイクロ流体装置のジョイントの別の実施形態を示す説明図、図９は、図８に示すジョイントを用いたマイクロ流体装置の組立図である。
本実施形態において、前述の実施形態と同一部分については、同一符号を付して説明を省略する。ここで、マイクロ流体デバイス１１の周囲を覆うホルダ２０の上側２０ｃに環状の立設部３１を形成し、その外周にホルダ雄ネジ部３２を形成する。立設部３１の中心孔３１ａは、開孔口１２の中心と一致しており、ジョイント４０の中心軸Ｃとも一致する。また、ジョイント４０の外周には、環状の凸部３３が形成されている。更に、ホルダ雄ネジ部３２と螺合する雌ネジ３４ａを備えたジョイント押さえリング３４を有している。また、ジョイント押さえリング３４は、中央にジョイント４０が挿通可能な挿通孔３５を有している。

以上のように構成されたジョイント４０は、ホルダ２０に形成された立設部３１に挿入する。すると、弾性体１５の流路１４が開孔口１２に当接する。また、上からジョイント押さえリング３４をホルダ雄ネジ部３２に螺合すると、凸部３３が挿通孔３５を通過できないので、弾性体１５の下端部がマイクロ流体デバイス１１の上面に押圧されて開孔口１２と流路１４および外部チューブ１３が連通し、水密性が保持される。本実施形態は、ジョイント押さえリング３４の雌ネジ３４ａと立設部３１のホルダ雄ネジ部３２の螺合によりジョイント４０をマイクロ流体デバイス１１に狭圧して接続することができる。本実施形態では、ジョイント４０の外周に凸部３３が設けられているので、この凸部３３がジョイント押さえリング３４の螺合により下方に押され、その結果ジョイント４０がマイクロ流体デバイス１１に狭圧された状態で固定される。

前述した図２のホルダ２０の内ネジ方式では、図９の外ネジ方式に比べてジョイント押さえリング３４が不要なため部品点数が少なくなるので接続部の小型化に有利な構造である。しかし、図９の外ネジ方式では、ジョイント押さえリング３４を手回しするだけでジョイント４０をマイクロ流体デバイス１１から脱着できるため作業性が良いだけでなく、ジョイント４０の外周の円筒面とホルダの上側２０ｃに垂直に開けられた中心孔３１ａの内面とのはめあいによりジョイント４０とマイクロ流体デバイス１１の相対関係が拘束されるため、両者は厳密に垂直となりながら狭圧されて図２の内ネジ方式と比べて同じ狭圧力であっても高い漏れ圧力が達成される。

図４に示す実施形態においても、図９の外ネジ方式と同様に、フェルール押さえリング２９を手回しするだけで外部チューブ１３をジョイント１０から脱着できるため作業性が良いだけでなく、フェルール固定部材２７の外周の円筒面と強度材１６に開けられた貫通孔３０の内面とのはめあいにより両者の相対関係が拘束されるため、フェルール固定部材２７はフェルール１７に片当りしないようにまっすぐに押さえられ、図２〜図３で採用したフェルール固定部材１８を使用する場合と比べて同じ狭圧力であっても高い漏れ圧力が達成される。

＜実施例１＞
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。
前記図１に示す構造のジョイントの製造方法を図５〜図７を用いて詳細に説明する。図５に示される強度材１６において、直径ａ２＝１０ｍｍの黄銅製の丸棒を機械加工し、長さ２０ｍｍで切断した後に、長手方向に直径ａ１＝４．４ｍｍの貫通孔３０をドリルにより開け、タップを用いて貫通孔３０上部より５ｍｍの深さまでＭ５のネジを立て、雌ネジ２１を作製した。またネジ切り丸ダイスを用いて外周の下方１０ｍｍにはＭ１０のネジ切り加工を行い、雄ネジ１９を形成した。

図６の弾性体１５としてはテフロン（登録商標）を用い、直径１０ｍｍの市販の丸棒をプラグの形状に旋削した。直径がｂ３＝６．０ｍｍとなるように上端面から１６ｍｍまでの部位を外径削りをした後、上端面から１３．５ｍｍまではｂ２＝４．７ｍｍの径にさらに削りこんだ。また、上端面から３ｍｍ迄を勾配０．０８でテーパー削りした後、上端面から１６ｍｍの箇所で切断した。

次に、強度材１６と弾性体１５を嵌合する嵌合工程を説明する。弾性体１５の先端部はテーパー状にわずかに細めて形成してあるので、室温においても先端の一部を強度材１６の貫通孔３０に嵌め込むことができる。その状態で液体窒素（−１９６℃）に３０分間浸けて冷却すると、内側のテフロン（登録商標）が外側の黄銅より大きく縮むため、冷やし嵌めによりさらに押し込むことができた。それでも残った部分は、プラスチィックハンマー等で叩くことで圧入して、図６に示す弾性体１５において下方の段付きのフランジ１５ｂの箇所まで嵌合した。

最後に、図７に示す加工１、加工２及び加工３を行うとジョイント内部の長手方向に流路１４が形成される。加工１ではジョイント４０の中心軸Ｃ上にドリルで直径１．０ｍｍもしくは１．６ｍｍの貫通孔（流路）を開け、この貫通孔（流路）は外部チューブ１３の流路とマイクロ流体デバイス１１の流路２４を連通させるものである。次いで弾性体１５の下端面に端面削りを施し（図７の加工２）、切削面１５ｃがジョイント長手方向と厳密に垂直となるようにすることでマイクロ流体デバイス１１の上面２５と密着が取れる構造となる。端面の削り量により下方の突出部の厚さは調整できるが、本実施例での厚さは１．２〜１．６ｍｍとした。もう一方の端面を頂角αのドリルによりテーパー穴加工するのは（図７の加工３）用いる市販のチューブ及びフェルールに適合させるためで、本実施例ではValco社の１／１６”のチューブ及びフェルールを用いたためαは３０度とした。
なお、加工２で端面削りした面には研磨加工も施した。研磨されるテフロン（登録商標）は非常に柔らかい材質であるため、研磨剤として市販の練り歯磨き粉を用いた。マイクロ流体デバイス１１の上面２５と密着する面が研磨により滑らかとなることで密着の程度が良くなる。

＜比較例１−１＞
汎用のＹ字型ガラス製のマイクロ流体デバイス１１の出入口に市販のエポキシ系接着剤を用いてValco社の１／１６”のチューブを接着した。

＜比較例１−２＞
特許文献１に示す方法を用いて汎用のＹ字型金属製マイクロ流体デバイスの出入口に外部チューブを接続するための金属製の取っかかりを取り付け、ネジを切りValco社の１／１６”のチューブを嵌合した。

＜実施例２−１−１、２−１−２＞
実施例１のジョイントを汎用のＹ字型金属製マイクロ流体デバイスの三カ所に取り付け、二カ所にメクラ蓋をして、一カ所を窒素ボンベに接続して耐圧試験を実施した（実施例２−１−１）。
同様に、汎用のＹ字型ガラス製流体デバイスに実施例１のジョイントを取り付け、窒素ボンベに接続して耐圧試験を実施した（実施例２−１−２）。

＜比較例２−１、２−２＞
比較例１−１で作成された継ぎ手とガラス製流体デバイスに関して、実施例２−１−１と同様に耐圧試験を実施した（比較例２−１）。
また比較例１−２で作成された継ぎ手と金属製流体デバイスに関して、実施例２−１−１と同様に耐圧試験を実施した（比較例２−２）。
「表１」に得られた耐圧試験の結果を示すように、実施例２−１−１では、接続デバイスを金属、耐圧を３５Ｍｐａとした場合、漏れ発生箇所はデバイス側接続部であり、残圧は３５Ｍｐａであった。また、実施例２−１−２では、接続デバイスをガラス、耐圧を３．８Ｍｐａとした場合、漏れ発生箇所はデバイス内部であり、残圧は１．４Ｍｐａであった。また、比較例２−１では、接続デバイスをガラス、耐圧を１．２Ｍｐａとした場合、漏れ発生箇所はチューブ接続部であり、残圧は０Ｍｐａであった。また、比較例２−２では、接続デバイスを金属、耐圧を８．０Ｍｐａとした場合、漏れ発生箇所はデバイス側接続部であり、残圧は５．１Ｍｐａであった。
なお、何れの場合も耐圧が最大値のところで圧力を保持して、１２時間経過後の圧力を測定した。

＜実施例３−１−１、３−１−２＞
実施例１のジョイントを汎用のＹ字型金属製マイクロ流体デバイスの一カ所に取り付け、横方向から力を加え、変形破壊される際の挙動を観察した（実施例３−１−１）。
同様に汎用のＹ字型ガラス製流体デバイスに実施例１のジョイントを一カ所に取り付け、横方向から力を加え、変形破壊される際の挙動を観察した（実施例３−１−２）。

＜比較例３−１、３−２＞
比較例１−１で作成された継ぎ手とガラス製流体デバイスに関して、横方向から力を加え、変形破壊される際の挙動を観察した（比較例３−１）。
また比較例１−２で作成された継ぎ手と金属製流体デバイスに関して、横方向から力を加え、変形破壊される際の挙動を観察した（比較例３−２）。
「表２」に得られた耐圧試験の結果を示すように、実施例３−１−１では、接続デバイスを金属とした場合、変形破壊場所はなく、ジョイントの再使用は可能であった。また、実施例３−１−２では、接続デバイスをガラスとした場合、変形破壊場所はデバイス本体が破断し、ジョイントの再使用は可能であった。また、比較例３−１では、接続デバイスをガラスとした場合、変形破壊場所はチューブ接続部が破断し、継ぎ手の再使用は不可能であった。また、比較例３−２では、接続デバイスを金属とした場合、変形破壊場所はデバイス側接続部のチューブが変形し、継ぎ手の再使用は不可能であった。

なお、フェルール１７と弾性体１５を密着させながら固定する構成としては螺合に限定されるものではなく、例えば傘においてバネの仕組みで開くワンタッチ機構やホース同士を連結するためのカプラー機構や水道等に使用されているワンタッチの開閉機構やＢＮＣコネクターのような機構を応用した各種の機構でフェルール１７を狭圧してもよい。

図１は、本発明に係るマイクロ流体装置のジョイントの一例を示す一部を切欠いた説明図である。 図２は、同マイクロ流体装置の組立断面図である。 図３は、同マイクロ流体装置の第２の実施例を示す縦断面図である。 図４は、同マイクロ流体装置の外部チューブの固定方法を示す第３の実施形態の縦断面図である。 図５は、同マイクロ流体装置のジョイントの製造方法を示す説明図である。 図６は、同マイクロ流体装置のジョイントの製造方法を示す説明図である。 図７は、同マイクロ流体装置のジョイントの製造方法を示す説明図である。 図８は、同マイクロ流体装置のジョイントの第４の実施形態を示す説明図である。 図９は、図８に示すジョイントを用いたマイクロ流体装置の組立図である。

符号の説明

１０ ジョイント
１１ マイクロ流体デバイス
１２ 開孔口
１３ 外部チューブ
１４ 流路
１５ 弾性体
１５ａ 凹部
１５ｂ フランジ
１６ 強度材
１６ａ 雄ネジ部
１７ フェルール
１８ フェルール固定部材
１９ 雄ネジ
２０ ホルダ
２０ａ 雌ネジ
２０ｂ ホルダの下側
２０ｃ ホルダの上側
２１ 雌ネジ
２２ チューブ固定ネジ
２３ ホルダ開閉ネジ
２４ デバイス内流路
２５ 上面
２６ ジョイント固定ネジ
２７ フェルール固定部材
２８ 凸部
２９ フェルール押さえリング
３０ 貫通孔
３１ 立設部
３２ ホルダ雄ネジ部
３３ 凸部
３４ ジョイント押さえリング
３４ａ 雌ネジ
３５ 挿通孔
３６ 接着層
４０ ジョイント

Claims (8)

1. マイクロ流体デバイスの開孔口と外部チューブとを接続するジョイント構造であって、
   前記開孔口に当接して長手方向に形成された流路で前記外部チューブまでの開口路を確保する弾性体と、
   前記弾性体の周囲に配設されるとともに前記マイクロ流体デバイスに固着される強度材とからなり、
   前記弾性体が前記強度材により圧縮の余圧をかけた状態で一体化され、かつ強度材がマイクロ流体デバイスに固着されるときに弾性体が上方から狭圧される状態にあることを特徴とするジョイント構造。
2. 前記弾性体は、形成された流路中を流れる流体に対して耐腐食性を有することを特徴とする請求項１に記載のジョイント構造。
3. 前記弾性体が周囲に配設された強度材により圧縮の余圧をかけた状態で一体化された構造が、嵌合によるものである請求項１または２記載のジョイント構造。
4. 前記弾性体が上方から狭圧される構造が、螺合によるものである請求項１〜３の何れか一項に記載のジョイント構造。
5. 前記弾性体と強度材とのヤング率の比が０．７５以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のジョイント構造。
6. 強度材と弾性体とを嵌合する嵌合工程と、
   嵌合された弾性体の中心軸を穿孔する穿孔工程と、
   穿孔された弾性体の一方の端面をマイクロ流体デバイスに密着させるための加工工程および弾性体の他方の端面から内に外部チューブと接続するための加工工程とを含むことを特徴とするジョイント構造の製造方法。
7. 前記嵌合工程が締まり嵌めであることを特徴とする請求項６に記載のジョイント構造の製造方法。
8. マイクロ流体デバイスと、該マイクロ流体デバイスの開孔口に接続された請求項１〜５に記載のジョイント構造と、該ジョイント構造に接続された外部チューブとを備えたことを特徴とするマイクロ流体装置。

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