JP2013081943A

JP2013081943A - 流体中の微粒子選別装置

Info

Publication number: JP2013081943A
Application number: JP2012242939A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yokota; 博横田; Yutaka Narita; 裕成田
Original assignee: Kurabo Industries Ltd; Kurashiki Spinning Co Ltd
Current assignee: Kurabo Industries Ltd; Kurashiki Spinning Co Ltd
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-05-09

Abstract

【課題】流体中に含まれる微粒子を選択的に回収し、又は微粒子を除去した流体を選択的に回収する微粒子選別装置を提供する。
【解決手段】流体が流れる流路から分岐した複数の分岐流路と、各分岐流路の流体中の微粒子の有無を監視する微粒子監視機構と、各分岐流路がそれぞれ２つずつに分岐した各一方の流路を合流させて１つの流路とした微粒子含有流路と、各分岐流路からの各他方の流路を合流させて１つの流路とした微粒子非含有流路と、各分岐流路のそれぞれの分岐点に設けられ、微粒子監視機構による監視に基づいて流路の切換えを行なう流路切換え機構と、を備えている。
【選択図】図６

Description

本発明は、液体中に浮遊する気泡や微粒子を除去してそれらを含まない液体を連続して供給できる装置、気体中の微粒子を除去してそれを含まない気体を連続して供給できる装置、又は液体や気体中の微粒子を選別してそれらを選択的に連続供給する装置に関するものである。

半導体装置の微細加工などの製造ラインで用いられる流体中に気泡や微粒子が混入していた場合、重大な不具合を発生させることがある。

また、インクジェット記録装置に用いるインク中に気泡が混入すると、プリンタの印字画面はかすれる状況になってしまい、カラープリンタの場合は色が異なるトラブルにもなる。この場合、インク流路中及びインク室内の気泡を検知する方法として、（１）インクに圧力変動を生じさせ、その圧力変化分を検知するもの、（２）インクに音波（例えば、超音波）を印加し、その振幅減少分（減衰分）を検知するもの、（３）インクに電圧を印加し、電圧変化分を検知するもの、（４）インクに光を照射し、光の反射率あるいは透過率を検知するものが挙げられる。また、（５）インク流路及びインク室の形状とインクの量によって固有に存在する共振周波数の変動を検知する方法等が挙げられている（特許文献１参照。）。

しかし、これらの方法はインク室内の気泡を検知する方法であり、気泡を除去してインクのみを回収する方法ではない。また、インク成分に電界を加えることでインク成分を変質させるなどの問題点もある。

液体が満たされた配管内に空気が混じって気泡が生じると、管路の途中に配置されたポンプに気泡が吸い込まれ、ポンプが空回りしてしまうことがある。

このような気泡を除去する装置として気泡検知装置及び気泡除去装置が挙げられている（特許文献２参照。）。この気泡検知装置は電極を使用しているが、検知と除去の両方に関して１００％の確実性はなく、また、ポンプの空回り防止を目的とした大きな気泡を除去する際には充分であるが、インクジェット記録装置において微粒子を除去する装置としては使うことができない。

微量な流体を扱うマイクロポンプ内に混入した気泡を送液する装置も提案されている（特許文献３参照。）。しかし、この装置は気泡混入防止を目的としたものであって、気泡が混入しにくいという実現レベルであり、実際に気泡などの微粒子を除去したり選別したりする装置ではない。

特開２０００−２９６６１４号公報特開平７−２４３８９５号公報特開２００６−４８３４号公報

これまでの気泡除去装置は、大きなサイズの気泡を対象にしていたり、気泡の混入防止を目的としているだけであり、流体に混入している微粒子等を除去して回収したり、又は微粒子を選択的に回収する装置ではない。

そこで本発明は、流体中に含まれる微粒子を選択的に回収し、又は微粒子を除去した流体を選択的に回収する微粒子選別装置を提供することを目的とする。

本発明の微粒子選別装置は、流体が流れる流路から分岐した複数の分岐流路と、各分岐流路の流体中の微粒子の有無を監視する微粒子監視機構と、各分岐流路がそれぞれ２つずつに分岐した各一方の流路を合流させて１つの流路とした微粒子含有流路と、各分岐流路からの各他方の流路を合流させて１つの流路とした微粒子非含有流路と、各分岐流路のそれぞれの分岐点に設けられ、微粒子監視機構による監視に基づいて流路の切換えを行なう流路切換え機構とを備えている。

流体の一例は液体であり、その場合の微粒子としては気泡も含まれる。

流体の他の例として気体を用いることもできる。

各流路及び流路切換え機構は、共通の基板に微細加工（例えばマイクロマシン技術）により形成することができる。

上記微粒子選別装置の一例は、流路は基板にエッチング技術により形成された溝であり、流路切換え機構はエッチング技術により形成され、弁と弁座の役目を果たし、その開閉は磁気、静電気、音波又は光波のいずれかを使用することによりなされるものを挙げることができる。

本発明の微粒子選別装置は、微粒子監視機構と流路切換え機構を備えているので、流体中の微粒子を選択的に回収したり、流体中の微粒子を避けて流体を選択的に回収したりすることができる。

流体が液体である場合、例えば、インクジェットや医薬品等に混入している気泡を除去したり回収したりすることが可能となる。

流体が気体である場合、半導体製造プロセスに用いるガス中の微粒子を除去してから、製造工程で利用することが可能となる。そして、気体中の微粒子に対して、微粒子を除去したり、微粒子の形状を判別したりして、特定の微粒子だけを捕捉し集めることができるようになる。

複数の分岐流路と、流体中の微粒子の有無を監視する微粒子監視機構と、各分岐流路の各一方の流路が合流して１つの流路とした微粒子含有流路と、各分岐流路の各他方の流路が合流して１つの流路とした微粒子非含有流路と、微粒子監視機構による監視に基づいて流路の切換えを行なう流路切換え機構と、を備えて、複数流路にするので、流量を増加させることができる。流路幅は、検知する微粒子、気泡のサイズにより決定される。流路深さもカメラ等の撮像装置の被写体深度の能力で限定される。そのため、ひとつの流路の流量には上限があるので、それ以上の流量を必要とする場合には複数流路にするのがよい。

［参考例１］
図１は参考例を説明する概略図であり、（Ａ）は微粒子選別装置の全体構成図、（Ｂ）は（Ａ）のａ部分（セル部分）における断面図、（Ｃ）と（Ｄ）は（Ｂ）のｂ部分（ノズル先端部）における拡大断面図であり、（Ｃ）は気泡の進行経路を矢印で示した図、（Ｄ）は気泡を避けてノズル１７を動かす動作を説明する図である。

流体としての液体はタンク１１内に蓄えられており、ポンプ１３による送液によって流路内を矢印方向に循環している。この時、液体は一定流量で循環されていることが望ましい。

セル１５は液体が循環する流路中に設けられており、セル１５の上部からは液体を回収するためのノズル１７が挿入されている。ノズル１７による液体の回収は後段に接続されているポンプ１４によって行なわれる。

セル１５は例えばガラス製であり、その内部形状としては、厚みが２ｍｍ、横幅が１０ｍｍ、縦幅が２０ｍｍである。１９及び２１は継ぎ手であり、セル１５とフッ素系樹脂チューブ２０ａ，２０ｂとを連結するためのものである。

ノズル１７はガラス製であり、ノズル先端の内径は約１００μｍである。

ノズル１７は微粒子監視機構による進行経路の予測に基づいて、ノズル駆動機構（アクチュエータ２３）により流体中の微粒子を避けるように、ノズル先端部がほぼ左右に移動可能になっている。微粒子監視機構については後述する。

アクチュエータ２３はコイル２５と磁石２７により構成されている。ノズル１７はフッ素製のパッキン２９を支点として回動可能に支持されている。コイル２５に所定の電流を流すことで、ノズル１７の先端部がセル１５内を動く。

ノズル１７で吸引した液体は、柔軟性を有するチューブ３１とポンプ１４を経て、回収用チューブ４３から回収されるようになっている。このチューブ３１は、例えばフッ素系ゴム製のものを使用することができる。

同参考例におけるノズル駆動機構の他の例として、同じ箇所に圧電素子を用い、所定の電圧で伸び縮みさせるアクチュエータ、空気圧で制御するアクチュエータ、形状記憶合金を適当な温度に加温して制御するマイクロヒータ、又は加熱もしくは冷却ができるマイクロペルチェ素子で形状記憶合金の温度を制御し、駆動するものを挙げることができる。

[微粒子監視機構]
撮像装置としてのカメラは、吸引ノズル先端部を画像の上部にし、その少し下部でピントが合うように設置されている。Ｚ軸方向の被写界深度を±５００μｍに設定すると、少なくとも直径１０μｍサイズの気泡を捉えることができる。図１（Ｂ）のｂがその画像エリアである。撮像エリアの大きさは例えば１．８ｍｍ×２．５ｍｍである。１秒間に３０画像取得し、気泡の有無、気泡の位置、気泡の速度を、その連続画像より求めることができる。画像データはコンピュータに送られ、オンラインで解析を行い、微粒子の進行経路を予測する。微粒子監視機構による予測に基づいて、微粒子選別機構としての吸引ノズル１７を１次元、２次元又は３次元に動かして、気泡を避けるように吸引していく。

次に演算手段により演算する微粒子の移動モデルとノズルの動作について図１（Ｃ）及び（Ｄ）を参照しながら説明する。

図１（Ｄ）では以下の説明のために座標を指定する。

ノズル１７の先端の中心をＸ軸、Ｙ軸のゼロ点とし、座標(X,Y)として(0,0)で表す。ここがノズル１７のホームポジションである。図の下方向はＹ軸のプラス方向である。また、紙面垂直方向の手前方向をＺ軸のプラス方向とする。

（Ｄ）では、ノズル１７の先端はパッキン２９を中心に円運動を行なうが、ふれ角が微少の場合は、直線と見なすことができる。その直線をノズル走査線と呼ぶことにする。

気泡の位置座標は、時間tでの画像から(x(t),y(t))と表記する。

複数個の気泡を指定する場合、１個目の位置座標を(x1(t),y1(t))とし、i個目の位置座標を(xi(t),yi(t))と表す。気泡は、通常は「円」でその形状を代表できるが、実際は楕円になったり、変形した形状になったりすることがある。ここでの説明では、円、楕円、その他の形状でも、その形状の重心になるところをその位置座標として表す。そして、ある時間t1における画像と、その後の時間t2における画像から、気泡の速度を求める。

時間tのときの気泡iの速度を(vi(t),wi(t))と表す。次に、泡の形状を指定するパラメータとして、気泡を「円」に近似する。このとき、気泡を避けるという目的から、気泡の大きさは最大円の半径pで指定する。つまり、実際の気泡が例えば楕円形状であっても、その重心を中心とした円により、その楕円がその円にすっぽりと納まる最小円でもって、それを円形状と見なす。そのときの最小円の半径がｐである。

次に、必要ならば気泡の形状を楕円近似し、長径qと短径rを指定して、その長軸の角度をsで指定する。ここで、楕円の長径軸とＸ軸とのなす角度をｓとする。ｓは、−πから＋πラジアンの値をとる。また、時間tにおける気泡iの形状データは、(pi(t))、又は(pi(t),qi(t),ri(t),si(t))で表される。必要ならばさらに気泡の形状を特定するパラメータを付け加えるようにしてもよい。

以上、気泡としては、時間毎の位置データ(xi(t),yi(t))と、速度データ(vi(t),wi(t))と、形状データ(pi(t),qi(t),ri(t),si(t))とが、コンピュータ（演算手段）により付加される。

そして、気泡がカメラ（微粒子監視機構）の被写界深度を外れ、明らかにノズルのＺ軸方向から外れた場合は、その時点でコンピュータによる気泡の捕捉を中止し、逆に途中からカメラの被写界深度内に入り、ノズルに接近する可能性がでてきた気泡は、その時点から上記データが付加され、コンピュータにより捕捉される。

また、一つの気泡が分離したり、複数の気泡が一つに結合したりする場合がある。その場合は演算手段が気泡の形状より、別の気泡であるか、一つの気泡であるかを判断し、上記データの登録の更新を行う。

ノズルが３次元に移動する場合を説明する。気泡のＺ軸方向の計測がカメラの被写界深度との関係でノズル先端とＺ軸方向とに大きな差がある場合、ノズル先端にカメラのピントを合わせているために、気泡の画像がぼけることがある。そのぼけ具合から、Ｚ軸の位置座標を推測することができる。また、画像取得と気泡の流れ速度との間に時間的な余裕がある場合は、カメラの焦点位置をずらすことにより、気泡のＺ軸位置を求めることも可能である。

最新の画像取得時間をt0とし、その後時間Tでの気泡iの位置は、次の式
T=t0 + Δt （１−１）
xi(T) = xi(t0 + Δt) = xi(t0) + vi(t0)・Δt （１−２）
yi(T) = yi(t0 + Δt) = yi(t0) + wi(t0)・Δt （１−３）
で推測できる。

ここで、yi(Tc)=0 になる時間Tcが、気泡iの重心がノズル走査線を横切る時間である。気泡にはサイズがあるので、yi(Td)=pi(t0)になる時間Tdには、気泡の一部がノズル走査線を横切っている。また、ノズル走査線を通過して、完全に離れてしまう時間Teは、yi(Te)=-pi(t0)を解くことで得られる。

そして、
Tc=t0 + Δtc （２−１）
Td=t0 + Δtd （２−１）
Te=t0 + Δte （２−１）
と表すと
Δtc=-yi(t0)/ wi(t0) （３−１）
Δtd=[ pi(t0)-yi(t0)]/ wi(t0) （３−１）
Δte=[-pi(t0)-yi(t0)]/ wi(t0) （３−１）
となる。

これを用いると、Δtd≦Δt≦Δte では、
xi(t0 + Δt) = xi(t0) + vi(t0)・Δt -{(pi(t0)² -[(vi(t0)・(Δt-Δtc)]²}^1/2 （４−１）
から
xi(t0 + Δt) = xi(t0) + vi(t0)・Δt +{(pi(t0)² -[(vi(t0)・(Δt-Δtc)]²}^1/2 （４−１）
が、ノズル走査線に気泡が通過する領域である。

次に同参考例の動作を説明する。

図１（Ｃ）は気泡の移動を示した説明図である。ポンプ１３は、カメラで撮影しているエリアにて、気泡ができるかぎり等速直線運動になるように一定流量を流すように設定しており、カメラ画像取得間隔とそれの画像処理時間と下記の吸引ノズル制御時間が充分間に合うように、流速を選定する。

また、吸引ノズル１７の位置を固定して、吸引ノズル１７からの液吸引速度を制御する機能を備えてもよい。粒子監視機構による画像解析より、吸引ノズル１７の先端に気泡が近づいてきた場合、ポンプ１４を停止させ、吸引ノズル１７から気泡を吸引しないようにする。そして、回収用チューブ４３内に気泡が入らないようにする。気泡がノズル先端を通過して、気泡を吸い込む可能性がなくなれば、ポンプ１４を動作させて、再び液を吸引する。

これを、横軸を時間Δｔとし、縦軸をｘｉ（ｔ０＋Δｔ）のノズル走査線とし、気泡が通過するところをハッチングしたのが図２（Ａ）である。この場合、気泡を「円」とコンピュータ上で認識させていても、ノズル走査線を横切る気泡の速度方向により、楕円形状になるときがある。図２（Ａ）は、時間ｔ０時点から時間Δｔ後にノズル走査線のどの位置に気泡が来るかを予測したマップである。このハッチングした以外のところに連続した曲線を作成して、そこでノズル先端を動かすようにすれば、予測が確かであれば、ノズル先端は気泡を避けることができる。

しかし、現実には、気泡の位置によっては、連続した曲線を作成できない場合や、ノズル駆動系も質量があり、有限の力による駆動であるため、加速度には自ずと限界がある場合もある。加速度である曲線の２次微分値と、速度である１次微分値はある範囲内であることと、ノズル駆動範囲は、ホームポジションから限られた範囲内でしか動作できないことから、曲線の縦軸値には制限がある。これらの制限を考慮して、できるかぎり連続になるように曲線をコンピュータにより作成する。

ノズルをあまりにも高速に動かすと、ノズル先端付近の液に乱流を起こし、気泡の軌道を不用意に変化させることになる。また、極端に早い動作（例えば音速を超える速度）になれば、局所的に真空状態になり、脱気となり新たな気泡を生むことになる。そのような高速な動きは防止することと、ノズル部のＸ軸方向の動きに対して、満たされている媒質に擾乱を起こしにくい流線型の構造にすることが望ましい。

図２（Ｂ）は、気泡１から気泡４までが存在する場合のノズル先端の軌道として曲線を作成した例である。図２（Ｂ）は時間ｔ０で、図２（Ｃ）はｔ１である。気泡１から気泡４は、時間とともに座標を変える。そして、ｔ１では、気泡１と気泡２は、ノズル先端を過ぎ去っているので、もはやノズル１７の先端軌道を計算するのに関係なくなっている。それに代わり図２（Ｃ）では、新たに気泡５が発生しており、それを考慮した曲線がその時点で作成される。

この連続曲線は、画像取得毎に更新される。図３の場合は、どうしても連続曲線ができない場合の例であり、気泡１又は気泡３にノズル先端が接触してしまう。その場合は所定の警報を外部に出すと同時に、ポンプ１４を停止させ、液体の吸引を停止させる。そして、気泡のない位置にノズル先端を強制的に移動させ、そこから連続曲線を作成して、液吸引を再開する。

以上の方法は、ノズル先端を動かす連続曲線の作成をコンピュータにて計算で求めるが、その計算にコンピュータ負荷が大きくなる場合は、次の方法で行い、その負荷を軽くすることができる。最新の画像から泡の位置、その形状を求めることは、先の例と同じであるが、それぞれの気泡に対して、次のようなポテンシャル関数を求める。

Ui = pi³ /[(xi -xn)² +(yi -yn)²]^1/2 （５−１）
ここで、(xi,yi)は気泡iの位置であり、(xn,yn)は最新の画像取得時のノズル先端の位置である。また、ｐｉは、気泡の半径である。ノズル位置は、図１（Ｄ）の座標系では、ｙｎ＝０である。

ｐｉを３乗しているのは、力学上の万有引力の質量を想定しているためだけで、それでなくてはならない必要はない。このＵｉを気泡の数だけ足し合わせ、それをUとすると、
Ｕ＝Ｕ１＋Ｕ２＋Ｕ３＋…＋Ｕｍ（５−１）
である。

これをノズル位置(xn、yn)=(xn、0)において、次の偏微分関数を求める。そうすると、
Ｆ＝−∂Ｕ／∂ｘ（６−１）
となる。

これが、Ｕというポテンシャル関数から求められるＸ軸方向の力に相当する。例えて言うと、気泡が電荷を持っていると考え、ノズル先端にも同符号の電荷があると考えると、気泡の電荷量はそのサイズの３乗に比例するということになる。その状態で、ノズル先端には各気泡から斥力が働く。

ただ、斥力は距離の２乗に反比例するため、ノズル先端から遠くにある気泡からの力は弱く、近い気泡の影響が大きくなる。Ｆはノズル先端にかける力となる。この場合、ノズルの動く速度のマイナスに比例する摩擦力に相当する力を先の力Ｆに付加して、ノズル先端の振動を防止することが望ましい。そうすると、
Ｆ＝−∂Ｕ／∂ｘ−ｆ×（ｄｘｎ／ｄｔ）（６−１）
となる。

ここで、ｄｘｎ／ｄｔは、ノズル先端のｘ軸方向の速さで、ｆはパラメータである。
ｆは、ノズルの質量とノズルを制御する力により、最適な値を設定する。ｆが大きくなると、ノズル先端の動きの応答性は悪くなるが、滑らかな動きになる。
このようにすることにより、さほど複雑な計算をすることなしに、ノズル先端は気泡を避けて動くようになる。

この例では気泡サイズについては考慮していないが、それを考慮したポテンシャル関数Ｕを用いることが望ましい。また、距離に反比例したポテンシャルを想定したが、それは、荷電斥力、あるいは万有引力からの類推だけであり、距離に反比例したポテンシャルは、距離の２乗に反比例する力を導き出すためである。ポテンシャル関数として、距離の２乗に反比例した関数でもよいし、距離により小さくなる、できれば連続でなめらかな関数であればよい。

［参考例２］
参考例１は、液中の気泡であったが、今度は、気体中の微粒子の分離について記載する。気体中に浮遊するパーティクル（例えば、金属微粒子）から、特定のものだけを選り分けたいという場合、次のように行う。

例としては、春先に発生する花粉症に対して、空気中に漂う微粒子のなかから特定の花粉だけを採取して、時間あたりの採取量から、その測定点での花粉症患者に対するダメージを計測する場合などである。花粉のサイズは、２０μｍから４０μｍであり、植物の種類によりその形が異なる。

図４（Ａ）は菊、（Ｂ）はミモザ、（Ｃ）はネリネの電子顕微鏡写真である。

参考例１の流体は液体であったが、流体が気体の場合、気体に浮遊するパーティクルの特定のものだけをカメラ画像にて捉えたとき、そのポテンシャルエネルギーＵｉから求める力を斥力ではなく引力にする。その場合、参考例１のポテンシャル関数の符号を変えるだけでよい。そうすると、ノズル先端は、特定したパーティクルに引き寄せられる動作をすることになり、特定のパーティクルだけを吸引することができる。

また、不用意に他のパーティクルを吸引しないように、ポンプは、特定されたパーティクルがノズル先端近傍に来てから動作させるようにする。花粉のサイズは、２０μｍから４０μｍであるが、その構造を特定するためには、参考例１よりも画像を拡大する必要がある。

図１（Ｃ）及び（Ｄ）の画像エリアは０．３ｍｍ×０．４ｍｍとする。また、ブラウン運動により、液中よりも激しく花粉が動きまわるので、画像取得は１００画像／秒の高速撮影として、測定部の温度を下げてブラウン運動を少なくする工夫を行う。

［参考例３］
図５は本発明のさらに他の参考例を示す概略図であり、（Ａ）は全体構成図、（Ｂ）は（Ａ）のｂ部分における拡大断面図である。
［参考例３］
参考例１とは気泡を避ける手段が異なっている。吸引ノズル１７は固定され、その先端近傍には流体移動機構として一対の圧電素子３３（３３ａ，３３ｂ）が設置され、一方の圧電素子３３ａが伸びれば、他方の圧電素子３３ｂが縮むように制御される。
［参考例３］
圧電素子３３の伸縮により、気泡に対しノズル１７の中心軸に直交する方向（図面の左右方向：Ｘ方向）に力をかけ、吸引ノズル１７の軸位置から気泡の軌道を軸外に外させる。圧電素子３３の動作は、参考例１におけるノズル１７の移動の代わりに圧電素子の動きになるだけで、基本的な制御は参考例１と同じである。

この参考例は、圧電素子３３の伸縮によりその近傍点の液を動かし、気泡を避けるという方法であるが、圧電素子３３は、印加する電圧を短時間のパルスにすることにより液の音波を発生させることが可能である。音波を微粒子に直接放射して、音波の進行方向に押す力、すなわち音響放射圧を使うこともできるが、放射方向の制御が難しいので、現実には次に述べる音波の定在波を形成して、そこからの力を利用するのが効率的である。

（１）左右一対の圧電素子３３から同一周波数の音波を液に定常的に与えて、圧電素子間に定在波音場を形成する。（２）音波の伝搬方向には（１／４）波長間隔で音圧の節と腹が交互に存在する。（３）音波の波長に比べて充分に小さな微少物体は、その音圧の腹から節に向かう力を受け、音圧の節に捕捉される物理現象がある。

この方法を使って、気泡を音波により、左右に動かすことが可能となる。具体的には、ノズル１７の付近に流れてきた気泡を、定在波によりトラップして、その後、音波の位相を変えることにより気泡を左右に移動させる。ノズル先端に入らないコース（進行経路）に来れば、音波の強度をゼロにして、トラップを解除する。その他、音波の波長、強度を調整して、ノズル付近から気泡が外れるように制御することも可能である。
この参考例では一対の圧電素子を用いたが、片方のみの圧電素子であってもよい。

［実施例１］
次に本発明の実施例を説明する。

図６（Ａ）は微粒子選別装置の全体構成図であり、（Ｂ）は（Ａ）のａ部分における拡大断面図である。

気泡を除去すべき液体はタンク１１内に貯蔵され、ポンプ１３により流路内を矢印方向に循環されている。

タンク１１に繋がるチューブ２０ｂは、透明の細い８本のチューブ３５ａ〜３５ｈに分岐している。各チューブ３５ａ〜３５ｈの内径は１ｍｍ、外径は２ｍｍであり、気泡が入れば外部からすぐに視認することができる。また、材質はフッ素系樹脂である。この実施例１では、１台のカメラで８本のチューブ３５ａ〜３５ｈを、ピントが合った状態で撮影できるように平たく設置する。また、チューブ１本毎に、流路切換え機構としての３方弁３７ａ〜３７ｈが取り付けられている。

８本のチューブ３５ａ〜３５ｈは、それぞれ三方弁３７ａ〜３７ｈを備えた分岐点で２本ずつに分岐し、各一方の分岐チューブは液を回収するための１本の微粒子含有チューブ（流路）３９へと結合されており、三方弁３７ａ〜３７ｈを介した他方のチューブは回収用チューブ４３に結合されている。１９ａ、１９ｂ及び２１は継ぎ手であり、チューブを連結するためのものである。

カメラ画像により、どのチューブに気泡が入り込み、それがどの位置で、どの程度の速度で移動しているかを監視する。気泡が３方弁３７ａ〜３７ｈの近辺に来たとき、３方弁を切り替え、気泡を別方向（例えば、微粒子含有チューブ３９側）へと流す。その後、気泡が除去されれば３方弁３７ａ〜３７ｈを元の微粒子非含有チューブ（流路）４０側に戻し、チューブ４３から流体のみを回収する。

回収用チューブ４３から出る液体は気泡が完全に除去された液体である。カメラ画像は、３方弁３７ａ〜３７ｈの気泡なし配管側、つまりチューブ４０への配管も監視しており、何らかのトラブルで気泡がその配管に流れた場合は警報信号を出すようにしてもよい。

［実施例２］
次に本発明のさらに他の実施例を説明する。

図７はチップタイプの粒子選別装置の概略図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）の左側面図、（Ｃ）は（Ａ）のＥＦ断面図、（Ｄ）は（Ａ）の右側面図、（Ｅ）は（Ａ）のＣＤ断面図、（Ｆ）は（Ａ）のＡＢ断面図である。

この実施例は実施例１の８本の細いチューブ３５ａ〜３５ｈと３方弁３７ａ〜３７ｈをガラス基板上に形成したものである。

ガラスチップ５１は５層の構造になっており、基板ｐ４にフッ酸等のエッチングにより流路を形成し、その上下に基板ｐ３，ｐ５を貼り付けることにより作製される。基板ｐ３の上面には基板ｐ１と基板ｐ２が貼り付けられる。

流路が交差する交差部５２は、（Ｃ）に示すように５層の内の中央である基板ｐ３に穴５３が開いていて、その両側の基板ｐ２の流路と基板ｐ４の流路が繋がるようになっている。

５４は２流路間にまたがるブロック（弁）であり、流路切換え機構として機能する。

ブロックの材質は、流路を形成しているものと同材料のガラスでもよいが、すべり運動をするので、摩擦係数が低く、堅さが異なる材質の方がすべり特性がよい。例えばフッ素樹脂を用いるのがよい。また、ガラス材質の場合は、フッ酸エッチングと研磨技術により微細なブロックを作製することができるし、フッ素樹脂などは、厚みが等しい薄膜を、レーザにより切断することによりこのブロックを作製できる。ガラスチップにこのブロックを設置させる作業は、マイクロスコープとピンセットによる人間による操作でも可能であるが、量産時は、マイクロ電子デバイス作製技術を応用したマイクロマニュピレータによるロボット操作で設定する。

基板ｐ１は基板ｐ２を被うガラス基板である。ガラスチップ５１のサイズは、例えば３．８ｍｍ×６．０ｍｍの矩形で、全体の厚みは０．８５ｍｍである。基板ｐ１の厚みは０．３５ｍｍ、基板ｐ２の厚みは０．１ｍｍ、基板ｐ３の厚みは０．１５ｍｍ、基板ｐ４の厚みは０．１ｍｍ、基板ｐ５の厚みは０．１５ｍｍである。ＡＢ断面の流路幅は０．０５ｍｍである。

次に同実施例の動作を説明する。

気泡を除去すべき液体は、圧力をかけて、入口５５からガラスチップ５１内を通過させる。

ガラスチップ５１には、エッチング技術により細い流路が形成されており、各流路には実施例１の３方弁に相当する機能（ブロック５４）が設けられているので、微粒子や気泡は出口５６，５７のいずれかから選択的に除去され、又は回収される。

除去すべき気泡や微粒子のサイズがより小さくなる場合、実施例１の構成では除去に限界が発生することがあるが、この実施例２では、流路はミクロンオーダーから、ナノメータサイズまでの拡張が可能となるので、微粒子のサイズが小さい場合にも対応できる。

図８は、実施例２で説明したガラスチップ５１のＩＮ側とＯＵＴ側に、参考例３で用いたチューブ２０ｂ，２０ａ，４３を取り付けた例である。金属体６１の枠内にガラスチップ５１を設置して、継ぎ手２１，１９ａ，１９ｂで挟み込むようにして、液体シールを実現している。このときのカメラ画像エリアは３．１ｍｍ×５．１ｍｍの矩形とする。また、チューブサイズは、ＩＮ側、ＯＵＴ側ともに外径０．５ｍｍ、内径０．３ｍｍである。

流路内の３方弁に相当するところには、図７（Ｆ）に示すように、基板ｐ５と基板ｐ４の間にブロック５４が挿入される。ブロック５４が圧電素子５８によって矢印方向に動くので、ブロック５４が流路を開けたり閉じたりして３方弁の役目を果たす。（Ｆ）の５６は、圧電素子５８をガラスチップ５１に固定する部材である。

ブロック５４と圧電素子５８の結合は物理的接着でもよいし、一方が磁石で他方が磁力に感応する材料でもよい。また、この例ではブロックを動かすのに圧電素子を使ったが、圧電素子５８を形状記憶合金によって形成し、近傍点のヒータに相当する箇所に通電することにより温度を変化させ、矢印方向に移動させるようにしてもよい。

［実施例３］
次に本発明のさらに他の実施例を説明する。

図９は実施例２で示したガラスチップ５１の変形例であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡＢにおける断面図である。

実施例３と実施例２では、流路切換え機構としてのブロック５４が異なっているが、他の流路構成は同じである。

この実施例では、弁としてのブロック５４に隣接してＬＥＤ（発光ダイオード）６３を備え、ＬＥＤのオン／オフによって流路の開閉を駆動するようにした。また、ＬＥＤの代わりに光の圧力によってブロック５４を動かすようにしても良いし、基板ｐ５上に別の溝を形成し、そこにエアーあるいは、適当な液体などの媒質の圧力を加えることにより、ブロック５４をピストン運動させるしくみを用いても良い。

［実施例４］
次に本発明のさらに他の実施例を説明する。

図１０は実施例２で示したガラスチップ５１の変形例であり、上面図を示している。

流路切換え機構の弁として、圧電素子アクチュエータ６５（６５ａ、６５ｂ）を用いた場合であり、ＰＺＴアクチュエータが使われている。このＰＺＴ（Lead zirconate titanate）は、もっとも一般的な圧電素子で、ＰｂとＺｒとＴｉの酸化物であり、頭文字からＰＺＴと呼ばれている。その圧電素子を利用したアクチュエータをＰＺＴアクチュエータと呼ぶ。

この場合、ガラス基板の所定箇所にＰＺＴを埋め込むか、又は蒸着により基板ｐ４上にＰＺＴを形成し、電圧印加のための配線を形成する。これらは半導体装置製造分野における作製技術を用いることができる。弁の役割は、ＰＺＴのゆがみにより、流路を細くし閉じられることでなされる。この場合は、気泡側流路６７と気泡なし流路６９の両方を閉じることも可能である。

カメラ情報により気泡の有無、気泡の位置、そしてそれらの速度を演算手段により計測するが、それにより、弁の開閉タイミングを調整して、気泡は気泡液体流路（微粒子含有流路）６７に、液体のみの流体は気泡なし流路（微粒子非含有流路）６９に切り分けられる。そのタイミングは、コンピュータにより制御されるが、学習能力を保持して、最適なタイミングで開閉できる機能を持たす。しかし、コンピュータの最適制御状態で、気泡の分離を行っても、制御が誤って、気泡なし流路６９に気泡が入り込んでしまうことも発生する。

その場合、図１０の場合は、両方の弁（圧電素子アクチュエータ６５ａ，６５ｂ）を閉じて、そのパターン箇所は、しばらく使わないようにする。またトラブルの場合、所定の警報を出すことも行う。ここの例では、１つのガラスプレートに４カ所の分岐パターンが形成されているが、何百、何千のパターン形成することも可能である。その場合、気泡が間違って入り込んだパターンは両方の弁を閉じて機能を殺してしまい、その数がある設定値以上になってから、警報を出し、この装置の初期復帰動作を促すようなシステムも構築できる。

以上の例で重要なことは、（１）カメラにてその流路をすべて監視するため、気泡、微粒子の存在がカメラにて見えるように、少なくとも基板ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４やセル１５の材料がカメラ計測の波長にて透明であるように選定しておくこと、及び（２）コストの低減やシステムの簡単さからできるかぎり１台のカメラで監視することから、流路は１平面上に形成されていることが好ましい。

また上記の実施例では可視光線のカメラを想定しているが、ガラスプレートの代わりにシリコン基板を用いてもよい。その場合は、赤外線領域で透明になるので、カメラとしては、赤外カメラを使用する。

本発明のように、流体中の粒子を避けて流体のみを回収したり微粒子を選択的に回収したりするためには、大きく分けて２段階の技術を要する。一つ目は、確実な微粒子の検知方法であり、二つ目はその微粒子を確実に避ける方法又は回収方法である。なお、流体が液体の場合は、微粒子に気泡も含まれる。

ここで提供する方法は、前者はカメラをセンサに用いて、気泡、微粒子の存在の有無と、その位置と、その速度を同時に計測することから構成される。

また、除去技術に関しては、二つの技術のどちらかを使用することで構成される。

一つ目は、先の細い吸引ノズルを移動させて、液中の気泡、微粒子、気体中の微粒子を避けて、液あるいは気体だけを吸引する方法である。また、特定の微粒子、気泡を選択に集める場合は、吸引ノズルを、それが存在する場所にすばやく移動させ、吸引して集める。吸引ノズルの移動は、カメラ画像データをもとに、コンピュータ制御により、自動的に移動させる。気泡、微粒子は、ミクロンオーダーのサイズであるため、吸引ノズルのサイズや吸引ノズルの移動距離、制御精度もミクロンオーダーであり、カメラ画像も顕微鏡画像になる。

二つ目は、複数の細い透明のチューブあるいは流路に液を通し、それらをカメラでデータ取得しておき、どのチューブに気泡または微粒子が吸い込まれたかどうかを、画像データで逐次判断できる構成にすることである。そして多数あるチューブまたは流路には、それぞれ３方弁が設置されており、気泡、微粒子が取り込まれたチューブの３方弁を開閉することにより、気泡、微粒子を別の流路に流し、もう一方の流路には、液ばかり（気体媒質の場合は気体ばかり）にする。気泡、微粒子は、ミクロンオーダーのサイズであるため、チューブや流路は、マイクロマシン技術や、半導体製造エッチング技術により作られたものであり、弁も微細なサイズであり、その制御も光や音波などを駆使したマイクロマシン技術を利用している。

また、本発明は以下の技術分野に適用することができるのでそれらを列挙する。
（１）コーティング（精密塗工）工程での吐液・溶剤中のモノマー分離のための気泡除去、（２）分析装置用水の精度向上のための気泡除去、（３）ＣＭＰ工程におけるポリシャーへの負荷軽減のための気泡除去、（４）スクリーン印刷工程での乳剤塗布における気泡除去、（５）スクリーン印刷工程での印刷インキ気泡除去、（６）インクジェットプリントでのインク気泡除去、（７）塗料や印刷インキとりわけ水系材料での気泡除去、（８）ミルを使用する製造工程でのミル効率向上のための気泡除去、（９）粘度測定における精度向上のための気泡除去、（１０）塗工液製造・充填時の効率向上のための気泡除去、（１１）パルプ工業・製紙工業における気泡除去、（１２）紙の表面処理を行うサイズプレス工程などでの気泡除去、（１３）繊維染色におけるパディング染色およびゴム・ラテックスなどの樹脂加工での薬液の気泡除去、（１４）接着剤製造および塗工・不凍液製造管理での気泡除去、（１５）石油精製・ボイラーでの気泡除去、（１６）クリーニングや洗濯槽の気泡除去、（１７）その他工業排水での気泡除去、（１８）排水処理における配管の腐食防止のための気泡除去、（１９）大気中・液中を浮遊する微粒子など悪影響を及ぼす気泡や異物除去、（２０）金属加工における洗浄・切削時の防錆のための気泡除去、（２１）金属加工における洗浄・切削時の欠陥対策のための異物除去、（２２）食品加工などの廃止処理での気泡除去、（２３）食品加工の発酵工程での気泡除去、（２４）果汁や液体食品の毛髪（100μｍ）・砂異物や気泡除去、（２５）果汁やその他の液状食品中における品質安定・バクテリア抽出・除去のための気泡除去、（２６）食品加工での油脂中の気泡除去、（２７）化粧品製品における巨大気泡の除去、（２８）化粧品製品充填における効率化と均一化のための気泡除去（２９）アミノ酸や抗生物質の製造における気泡除去、（３０）燃料電池の気泡除去、（３１）半導体およびFPD製造工程でのレジスト塗布での気泡除去。

一参考例を説明する概略図であり、（Ａ）は微粒子選別装置の全体構成図、（Ｂ）は（Ａ）のａ部分（セル部分）における断面図、（Ｃ）と（Ｄ）は（Ｂ）のｂ部分（ノズル先端部）における拡大断面図であり、（Ｃ）は気泡の進行経路を矢印で示した図、（Ｄ）は気泡を避けてノズルを動かす動作を説明する図である。（Ａ）は時間ｔ０時点で時間Δｔ後にノズル走査線のどの位置に気泡が来るかを予測したマップであり、（Ｂ）は気泡１から気泡４まで存在する場合のノズル先端の軌道として曲線を作成した例であり、（Ｃ）は新たに気泡５が発生し、それを考慮した曲線がその時点で作成された図である。ノズル先端の軌道の他の例を示した図である。（Ａ）は菊、（Ｂ）はミモザ、（Ｃ）はネリネの電子顕微鏡写真である。他の参考例を示す概略図であり、（Ａ）は全体構成図、（Ｂ）は（Ａ）のｂ部分における拡大断面図である。一実施例を示す概略図であり、（Ａ）は微粒子選別装置の全体構成図であり、（Ｂ）は（Ａ）のａ部分における拡大断面図である。チップタイプの粒子選別装置の概略図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）の左側面図、（Ｃ）は（Ａ）のＥＦ断面図、（Ｄ）は右側面図、（Ｅ）はＣＤ断面図、（Ｆ）はＡＢ断面図である。同実施例で説明したガラスチップ５１に、参考例３で用いたチューブを取り付けた例である。実施例２で示したガラスチップ５１の変形例であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡＢにおける断面図である。実施例２で示したガラスチップ５１の変形例である。

１１タンク
１３，１４ポンプ
１５セル
１７ノズル
１９，２１継ぎ手
２３アクチュエータ
２５コイル
２７磁石
２９パッキン
３１チューブ
３３圧電素子

Claims

流体が流れる流路から分岐した複数の分岐流路と、
前記各分岐流路の流体中の微粒子の有無を監視する微粒子監視機構と、
前記各分岐流路がそれぞれ２つずつに分岐した各一方の流路を合流させて１つの流路とした微粒子含有流路と、
前記各分岐流路からの各他方の流路を合流させて１つの流路とした微粒子非含有流路と、
前記各分岐流路のそれぞれの分岐点に設けられ、前記微粒子監視機構による監視に基づいて流路の切換えを行なう流路切換え機構と、
を備えたことを特徴とする流体中の微粒子選別装置。
前記各流路及び前記流路切換え機構は共通の基板に微細加工により形成されたものである請求項１に記載の微粒子選別装置。
前記流路はマイクロチップにエッチング技術により形成された溝であり、
前記流路切換え機構はエッチング技術により形成され、弁と弁座の役目を果たし、その開閉は磁気、静電気、音波又は光波のいずれかを使用することによりなされるものである請求項２に記載の微粒子選別装置。