JP2010210504A - 送液装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使い捨ての装置にも用いることが可能な、安価で安定した送液が可能な送液装置を提供する。
【解決手段】送液装置は、基材１２と、基材に形成され検査部１４に液体を導く微小流路１８と、微小流路の中途部に設けられ、微小流路を開閉するバルブ機構３０と、を備えている。バルブ機構は、微小流路中に設けられた環状のバルブシート３４と、外部から変形可能に基材に形成されバルブシートと対向して位置するダイアフラム４０と、バルブシートに対向してダイアフラムと反対側に位置するバルブ設置面４４と、バルブシートに当接するバルブ面３６ｃおよび設置面に当接する底部を有し、弾性変形可能に形成され、バルブシートに弾性的に押圧された状態で微小流路内に配設され、微小流路を閉じているとともに、外部からダイアフラムを介して押圧された際に弾性変形してバルブ面が前記バルブシートから離間し微小流路を開放するバルブ体３６と、を有している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、微小量の液体を所望部位へ送液する送液装置に関する。

例えば、医療分野においては、分析用の液体を微小量、例えば、μlオーダの量だけ検査器に送液するマイクロ送液装置が用いられている。このような送液装置は、液体を収容したタンクと、タンクから検出部まで延びた微小流路と、検出部からタンクまで延びたリターン流と、このリターン流路内に設けられたマイクロポンプと、微小流路を開閉するマイクロバルブと、を備えている（例えば、特許文献１、特許文献２）。

一般的なマイクロバルブは、一般配管に用いられている電磁弁と同様に、電磁開閉器を用いて機械的に流路を開閉する構造を、可能な限り小型化した方式を採用している。この電磁開閉弁は、電磁石に通電時に作動するが、通電していない、いわゆる常時状態において、流路が開状態であるか、もしくは閉状態であるかの２種類に大別される。例えば、マイクロ液送装置の用途が、検査機器等に使用するマイクロチップである場合には、マイクロ流路の自走作用により、ひとりでに検査物が流路内に流れてしまうため、通常はマイクロ流路が閉じている、常時閉であることが望まれる。

常閉型の電磁弁では、スプリング等により常にバルブを閉塞位置に加圧し、電磁石を通電していない状態においては流路が閉じている。そして、電磁石に通電することにより稼動ロッドが作動し、スプリングに打ち勝つ推力を発生させ、バルブが開く構造となっている。

特開２００８−１４５３２０号公報

しかしながら、上記のような電磁開閉弁は、極小化には不向きであり、マイクロ流路と比較してかなり大きく、複雑、高価な構造となる。また、常閉型とする場合、スプリング等の加圧機構が必要となり、合わせてスプリングに打ち勝つため、更に強力な電磁石が必要となる。そのため、電磁開閉弁は、大きく複雑な構造となるため、製造費用も嵩んでしまい、特に使い捨ての送液装置への使用には不向きとなる。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、使い捨ての装置にも用いることが可能な、安価で安定した送液が可能な送液装置を提供することにある。

この発明の態様に係る送液装置は、基材と、前記基材に形成され、検査器を装着可能な検査部と、前記基材に形成され、前記検査部に液体を導く微小流路と、前記微小流路の中途部に設けられ、前記微小流路を開閉するバルブ機構と、を備え、
前記バルブ機構は、前記基材に形成された前記微小流路中に設けられた環状のバルブシートと、外部から変形可能に前記基材に形成され前記バルブシートと対向して位置するダイアフラムと、前記バルブシートに対向して前記ダイアフラムと反対側に位置するバルブ設置面と、前記バルブシートに当接するバルブ面および前記設置面に当接する底部を有し、弾性変形可能に形成され、前記バルブシートに弾性的に押圧された状態で前記微小流路内に配設され、前記微小流路を閉じているとともに、外部から前記ダイアフラムを介して押圧された際に弾性変形して前記バルブ面が前記バルブシートから離間し前記微小流路を開放するバルブ体と、を備えている。

上記構成によれば、マイクロバルブ構造をマイクロ流路内に用いることにより、常時は閉状態かつ安価な送液制御が可能となり、使いやすく使い捨てが可能な送液装置を提供することができる。

図１は、この発明の第１の実施形態に係る送液装置の送液ユニットを示す斜視図。 図２は、図１の線Ａ−Ａに沿った前記送液ユニットの断面図。 図３は、前記送液ユニットに設けられたバルブ機構のバルブ体を示す斜視図。 図４は、前記バルブ機構の平面図。 図５は、前記バルブ機構をユニット外部から押圧し、バルブを開放した状態を示す断面図。 図６は、この発明の第２の実施形態に係る送液装置のバルブ機構を示す断面図。 図７は、この発明の変形例に係る送液装置のバルブ機構を示す断面図。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る送液装置について詳細に説明する。図１は、第１の実施形態に係る送液装置の送液ユニットを示す斜視図、図２は、送液ユニットのバルブ機構部分を拡大して示す断面図、図３は、バルブ体を示す斜視図、図４は、バルブ設置部を示す平面図である。

図１および図２に示すように、送液装置は、送液ユニット１０と、この送液ユニットを駆動する後述の加圧機構５０とを備えている。送液ユニット１０は、加圧機構５０に対して脱着自在に接続される。

送液ユニット１０は、例えば、矩形板状に形成された基材１２と、基材１２の下面側の四隅に立設された４本の支持脚２６と、を備えている。例えば、基材１２の長手方向一端部には、基材の上面側に開口した矩形状の凹所からなる検査部１４が形成されている。この検査部１４を覆うように、検査器１６、例えば、ＤＮＡチップが基材１２の上面側に装着されている。

基材１２には、検査部１４に気密に連通した微小流路（マイクロ流路）１８が形成されている。基材１２は、それぞれ矩形状の３つの流路板２０、２１、２２を積層して構成されている。流路板２０、２１、２２は、それぞれ板厚が例えば、２ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍに形成され、接着剤により互いに接着されている。そして、微小流路１８は、流路板２０と流路板２１との間に形成された微小流路１８ａ、および、流路板２１と流路板２２との間に形成された微小流路１８ｂを有している。微小流路１８は、例えば、０．３ｍｍ×０．３ｍｍの径に形成されている。微小流路１８ａは、基材１２に形成された注入口１９に連通し、微小流路１８ｂは、検査部１４に連通している。

図２に示すように、これらの微小流路１８ａ、１８ｂの間には、バルブ機構３０が設けられ、このバルブ機構によって微小流路１８の中途部が遮蔽あるいは開放され、微小流路１８における液体の流れが制御される。

中間層に位置する流路板２１には円形の透孔３２が形成され、この透孔３２を通して微小流路１８ａ、１８ｂが互いに連通している。バルブ機構３０は、透孔３２の周囲で、流路板２１に形成された環状のバルブシート３４と、このバルブシートと協同して微小流路１８を開閉するバルブ体３６と、を有している。

図２および図３に示すように、バルブ体３６は、例えば、切頭円錐形状の上部３６ａと、この上部と同軸な円柱形状の底部３６ｂとを一体に有し、上部３６ａの外周面はバルブ面３６ｃを形成している。底部３６ｂは円形の底面を有し、この底面よりも径の小さい円形の凹所３８が形成されている。バルブ体３６は、流路板２０、２１、２２の材料よりも柔らかい材料が好ましく、例えば、シリコーンゴムやフッ素系のゴム等を用いると良い。これにより、バルブ体３６は弾性変形可能となっている。

図２に示すように、流路板２２の一部は、例えば、厚さ０．２ｍｍの薄肉状に形成され、外部から加圧することにより変形可能なダイアフラム４０を構成している。このダイアフラム４０は、バルブシート３４および透孔３２と隙間をおいて対向している。ダイアフラム４０の直径ｄは、例えば、４〜５ｍｍに形成されている。ダイアフラム４０の内面中央に円柱形状の突起４１が形成され、透孔３２に対向している。バルブ体３６の上部の平坦面は、突起４１と僅かに接している。

図２および図４に示すように、流路板２０は、バルブシート３４に対向してダイアフラム４０と反対側に位置する平坦なバルブ設置面４４を有している。バルブ設置面４４は、微小流路１８ａの一部を規定している。バルブ体３６は、底面がバルブ設置面４４に当接し、バルブ面３６ｃがバルブシート３４に弾性的に押圧された状態で、微小流路１８内に配設され、微小流路を閉じている。

すなわち、流路板２０、２１、２２を接着剤等により接合する際、バルブ体３６は、流路板２０、２１間に埋め込む等の作業工程により、基材１２に組み込まれる。組み込む際、バルブ体３６に与圧が印加される。与圧の作用により、バルブ体３６のバルブ面３６ｃは、流路板２１のバルブシート３４に所定の圧力で当接し、通常状態において、微小流路１８は閉じている。後述するように、加圧機構５０によりダイアフラム４０を外側から基１２内へ押し込み変形されることにより、突起４１を介してバルブ体３６が押し潰されて弾性変形し、バルブ面３６ｃがバルブシート３４から離間し微小流路１８を開放する。また、流路板２０の設置面４４に連通溝４５が形成され、この連通溝４５を介して、バルブ体３６の凹所３８内と微小流路１８ａとが連通している。

次に、以上のように構成された送液装置の動作について説明する。
また、送液ユニット１０を加圧機構５０に装着する。バルブ機構３０は、電磁開閉器等の駆動機構を備えていない。そのため、図２および図５に示すような、外部に設置した加圧ロッド５１を有する加圧機構５０を用いて微小流路１８の開閉を行う。そのため、加圧ロッド５１等の加圧機構は使い捨てとする必要が無い。

通常、バルブ機構３０のバルブ体３６は、バルブシート３４に押付けられ閉状態となっている。そして、微小流路１８ａ、１８ｂは、バルブ体３６により遮断され、閉状態となっている。バルブ機構３０を開くには、加圧機構５０の加圧ロッド５１により、送液ユニット１０の外側からダイアフラム４０の中央部を加圧し、撓ませる様に内側に変形させる。ダイアフラム４０に取り付けられている突起４１を介して、バルブ体３６の上面を押すことにより、バルブ体３６を変形させる。

バルブ体３６は、流路板２０の設置面４４と接触する底面に凹所３８が形成されている。そのため、バルブ体３６を上面から加圧した場合には、凹所３８の部分が優先的に変形し、バルブ体３６全体が沈み込む様に作動する。その結果、バルブ体３６のバルブ面３６ｃが流路板２１のバルブシート３４から離れて、透孔３２が確実に開き、微小流路１８ａと微小流路１８ｂとが繋がる。これにより、例えば、注入口１９から微小流路１８ａに送られた液体は、透孔３２を通して微小流路１８ｂに導かれ、更に、ＤＮＡチップ１６へ送られる。このように、バルブ機構３０を開閉制御することにより、微小流路１８における液体の流れを制御する。

微小流路１８内の圧力が上昇した場合、バルブ体３６のシール性能は高い事が望まれる。図２において、微小流路１８ａの内圧が上昇した場合、設置面４４に形成された連通溝４５を経由して、バルブ体３６の底面に形成された凹所３８に対して、気圧または液圧が掛かることとなる。そのため、バルブ体３６全体が持ち上がりバルブ体３６のバルブ面３６ｃがバルブシート３４に押し付けられる。そのため、微小流路１８ａの内圧が上昇する程、バルブ機構３０のシール性は向上していく。

一方、微小流路１８ｂの内圧が上昇した場合には、バルブ機構３０のシール性能は、バルブ体３６のバルブ面３６ｃとバルブシート３４との与圧に頼ることとなる。そのため、前述した構成のバルブ機構の特性は、逆止弁に近く、前述した与圧を適正化することにより、開閉機構付の逆止弁としても活用することが可能となる。

以上の構成された送液ユニット１０および送液装置のバルブ機構によれば、微小なバルブ体のみが微小流路内に内蔵され、バルブを開閉する機構については送液ユニット側に搭載する必要が無くなる。そのため、大変安価なマイクロバルブ機構となり、使い捨てとすることが容易な送液ユニットあるいはマイクロチップを実現することができる。また、バルブ機構は、常時閉状態となるため、マイクロチップ等に使用する場合、自走効果による、微小流路内への液流れを抑制することができる。これにより、大変使い勝手の良い送液ユニットが得られる。

以上のことから、マイクロバルブ構造を微小流路内に用いることにより、常時は閉状態かつ安価な送液制御が可能となり、使いやすく使い捨てが可能な送液装置を提供することができる。

次に、第２の実施形態に係る送液装置の送液ユニットについて説明する。図６は、第２の実施形態に係る送液ユニットのバルブ機構部分を示す断面図である。第２の実施形態によれば、送液方向と逆方向から生じた内圧、すなわち、検査器側の微小流路１８ｂの内圧に対して、液体の逆流を確実に防止するための対策として、バルブ機構を２個並べて配置している。

すなわち、微小流路１８ａと微小流路１８ｂとの間に、前述した第１の実施形態と同一の構成を有するバルブ機構３０が設けられている。微小流路１８に対して、バルブ機構３０と直列に並んで、他のバルブ機構６０が設けられている。

流路板２１には微小流路１８ａの一部を構成する円形の透孔６２が形成されている。バルブ機構６０は、透孔６２の周囲で、流路板２１に形成された環状のバルブシート（第２バルブシート）６４と、このバルブシート６４と協同して微小流路１８を開閉するバルブ体（第２バルブ体）６６と、を有している。バルブシート６４は、バルブ機構３０のバルブシート３４に対して、微小流路１８の上流側に設けられている。

バルブ体６６は、例えば、切頭円錐形状の上部６６ａと、この上部と同軸な円柱形状の底部６６ｂとを一体に有し、上部６６ａの外周面はバルブ面６６ｃを形成している。底部６６ｂは円形の底面を有し、この底面よりも径の小さい円形の凹所６８が形成されている。バルブ体６６は、流路板２０、２１、２２の材料よりも柔らかい材料が好ましく、例えば、シリコーンゴムやフッ素系のゴム等を用いると良い。これにより、バルブ体６６は弾性変形可能となっている。

バルブ体６６は、底面がバルブ設置面４４に当接し、バルブ面６６ｃがバルブシート６４に弾性的に押圧された状態で、微小流路１８ａ内に配設され、微小流路を閉じている。すなわち、流路板２０、２１、２２を接着剤等により接合する際、バルブ体６６は、流路板２０、２１間に埋め込む等の作業工程により、基材１２に組み込まれる。組み込む際、バルブ体６６に与圧が印加される。与圧の作用により、バルブ体６６のバルブ面６６ｃは、流路板２１のバルブシート６４に所定の圧力で当接し、通常状態において、微小流路１８は閉じている。
第２の実施形態において、送液装置の他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

上記のように構成された送液装置において、送液時に微小流路１８ａの内圧が上昇すると、バルブ機構６０におけるバルブ体６６のバルブ面６６ｃが加圧されてバルブ体６６が弾性変位し、バルブ面６６ｃがバルブシート６４から離れ微小流路１８ａが開放される。これにより、液体は、微小流路１８ａから透孔６２を通り、バルブ機構３０側へ送られる。そして、前述した加圧機構５０の加圧ロッド５１により、バルブ機構３０が開放されて透孔３２が確実に開き、微小流路１８ａと微小流路１８ｂとが繋がる。これにより、微小流路１８ａから送られた液体は、透孔３２を通して微小流路１８ｂに導かれ、更に、ＤＮＡチップ１６へ送られる。このように、バルブ機構３０を開閉制御することにより、微小流路１８における液体の流れを制御する。

一方、微小流路１８ｂ内の圧力が上昇した場合、バルブ機構３０におけるバルブ体３６のバルブ面３６ｃが加圧されてバルブ体３６が弾性変位し、バルブ面３６ｃがバルブシート３４から離れ微小流路１８ｂが開放される。これにより、液体は、微小流路１８ｂから透孔３２を通り、バルブ機構６０側へ送られる。この際、他のバルブ機構６０のバルブ体６６のシール性能は高い事が望まれる。微小流路１８ｂの内圧が上昇した場合、設置面４４に形成された連通溝７０を経由して、バルブ体６６の底面に形成された凹所６８に対して、気圧または液圧が掛かることとなる。そのため、バルブ体６６全体が持ち上がりバルブ体６６のバルブ面６６ｃがバルブシート６４に押し付けられる。そのため、微小流路１８ｂの内圧が上昇する程、バルブ機構６０のシール性は向上していく。これにより、液体の逆流が防止される。

以上の構成された送液ユニット１０および送液装置のバルブ機構によれば、前述した第１の実施形態と同様に、マイクロバルブ構造を微小流路内に用いることにより、常時は閉状態かつ安価な送液制御が可能となり、使いやすく使い捨てが可能な送液装置を提供することができる。また、他のバルブ機構を直列に設けることにより、検査器側から流入側への液体の逆流を他のバルブ機構によって確実に防止することができる。

この発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、図７に示す変形例のように、バルブ体３６、６６のバルブ面３６ｃは、切頭円錐形状に限らず、他の形状、例えば、半球形状としてもよい。

１０…送液ユニット、１２…基材、１４…検査部、１６…検査器、
１８、１８ａ、１８ｂ…微小流路、１９…注入口、２０、２１、２２…流路板、
３０、６０…バルブ機構、３２、６２…透孔、３４，６４…バルブシート、
３６、６６…バルブ体、３５ｃ…バルブ面、３８、６８…凹所、
４０…ダイアフラム、５０…加圧機構

Claims (8)

1. 基材と、
   前記基材に形成され、検査器を装着可能な検査部と、
   前記基材に形成され、前記検査部に液体を導く微小流路と、
   前記微小流路の中途部に設けられ、前記微小流路を開閉するバルブ機構と、を備え、
   前記バルブ機構は、前記基材に形成された前記微小流路中に設けられた環状のバルブシートと、外部から変形可能に前記基材に形成され前記バルブシートと対向して位置するダイアフラムと、前記バルブシートに対向して前記ダイアフラムと反対側に位置するバルブ設置面と、前記バルブシートに当接するバルブ面および前記設置面に当接する底部を有し、弾性変形可能に形成され、前記バルブシートに弾性的に押圧された状態で前記微小流路内に配設され、前記微小流路を閉じているとともに、外部から前記ダイアフラムを介して押圧された際に弾性変形して前記バルブ面が前記バルブシートから離間し前記微小流路を開放するバルブ体と、
   を備えている送液装置。
2. 前記バルブ体は、前記底部に形成され前記設置面に対向する凹所を有し、前記バルブ機構は、前記設置面に形成され、前記バルブ体の凹所内と前記微小流路とを連通する連通溝を有している請求項１に記載の送液装置。
3. 前記バルブ体は、前記微小流路内を前記設置面側からバルブシートに向かう第１方向の流れ対して閉状態を維持し、逆方向の流れに対して開状態となる逆止弁を構成している請求項１に記載の送液装置。
4. 前記バルブ体のバルブ面は、切頭円錐形状に形成され、前記底部は前記切頭円錐と同軸の円柱形状に形成されている請求項１又は２に記載の送液装置。
5. 前記バルブ機構は、前記基材に形成された前記微小流路中で前記バルブシートの上流側に設けられた環状の第２バルブシートと、前記第２バルブシートに対向して位置するバルブ設置面と、前記第２バルブシートに当接するバルブ面および前記バルブ設置面に当接する底部を有し、弾性変形可能に形成され、前記第２バルブシートに弾性的に押圧された状態で前記微小流路内に配設され、前記逆方向の流れに対して前記微小流路を閉じている第２バルブ体と、を備えている請求項１に記載の送液装置。
6. 前記第２バルブ体のバルブ面は、切頭円錐形状に形成され、前記底部は前記切頭円錐と同軸の円柱形状に形成されている請求項５に記載の送液装置。
7. 前記バルブ体のバルブ面は、球状に形成されている請求項１に記載の送液装置。
8. 前記検査器は、ＤＮＡチップである請求項１に記載の送液装置。

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