JP2014228319A - ドロップレット生成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】特定の流体が流れる流路に流入させた別の流体が、当該流路の側壁面に接触するのを防ぎ、微小なドロップレットを安定的に生成することが可能なドロップレット生成装置を提供する。【解決手段】基板１１に、第一流路１２と、第二流路１３と、を少なくとも備え、第一流路の側壁面１２ａまたは１２ｂに開口部が設けられており、この開口部に第二流路１３の一端が接続され、開口部側から見た第一流路１２の上流側の側壁面１２ａと下流側の側壁面１２ｂとのなす角が、１８０度未満である。【選択図】図１
Description
本発明は、微小な液滴を生成することが可能なドロップレット生成装置に関する。
バイオやケミカルの分野においては、微小な液滴を生成することが可能なドロップレット生成装置を用いて形成されるドロップレット（微小液滴）が注目を集めている。ドロップレット生成装置は、その内部において、複数種類の流体を高速かつコントローラブルに混合し、所望のサイズのドロップレットを製造するためのデバイスである。このドロップレット生成装置を用いることにより、所望のサイズのドロップレットを生成したり、生成したドロップレットの特性等の分析を行うことが可能となる。
ドロップレット生成装置の要部の構成としては、図１７に示すものが知られている。図１７は、ドロップレット生成装置の要部５００の構成を模式的に示す平面図である。
ドロップレット生成装置の要部５００は、基板５０１の一面５０１ａに、流体の流路として機能する第一凹部５０２と、第一凹部の側壁５０２ａに連結した微細孔５０３とを備えてなる。このような構成により、基板の一面５０１ａにキャップ（不図示）を重ねた上で、第一凹部５０２、微細孔５０３に、それぞれ同時に第一流体Ｌ１、第二流体Ｌ２を流すことができる。そして、微細孔５０３から第一凹部５０２に第二流体Ｌ２を流出させることにより、流出した第二流体Ｌ２が、第一流体の流れｆ１による圧力を受けて切断され、ドロップレットＤが形成される。
ドロップレット生成装置の要部５００は、基板５０１の一面５０１ａに、流体の流路として機能する第一凹部５０２と、第一凹部の側壁５０２ａに連結した微細孔５０３とを備えてなる。このような構成により、基板の一面５０１ａにキャップ（不図示）を重ねた上で、第一凹部５０２、微細孔５０３に、それぞれ同時に第一流体Ｌ１、第二流体Ｌ２を流すことができる。そして、微細孔５０３から第一凹部５０２に第二流体Ｌ２を流出させることにより、流出した第二流体Ｌ２が、第一流体の流れｆ１による圧力を受けて切断され、ドロップレットＤが形成される。
しかしながら、図１８（ａ）に示すように、第一流体Ｌ１、第二流体Ｌ２を流し、両者の流れｆ１、ｆ２を合流させた直後のドロップレット生成装置の要部５００の構成においては、第一流体Ｌ１の流れによる圧力Ｆが、流出した第二流体にＬ２対して、第一流体Ｌ１の流れ方向ｄ２にのみ作用する。そのため、第二流体Ｌ２には、微細孔の開口部５０３ａを中心とした回転力（トルク）Ｆτが発生する。そして、図１８（ｂ）に示すように、第一流体Ｌ１の流れｆ１と第二流体Ｌ２の流れｆ２とを合流させ、一定時間が経過した後には、第二流体Ｌ２はこの回転力Ｆτによって第一流体の流れ方向ｄ２に傾き、最終的には第一凹部の側壁５０２ａと接した状態となる。このとき、第二流体Ｌ２は、第一凹部の側壁５０２ａに濡れ広がり、側壁５０２ａに拘束された状態となる。したがって、第二流体Ｌ２がスムーズに切断されず、生成されるドロップレットＤのサイズが大きくなってしまうという問題がある。
Wei-Heong Tan andShoji Takeuchi, "Monodisperse Alginate Hydrogel Microbeads for Cell" ,Adv. Mater. 2007, 19, 2696-2701.
本発明は以上のような点を考慮してなされたものであり、特定の流体が流れる流路に流入させた別の流体が、当該流路の側壁面に接触するのを防ぎ、微小なドロップレットを安定的に生成することが可能なドロップレット生成装置の提供を目的とする。
本発明の請求項１に係るドロップレット生成装置は、基板に、第一流路と、第二流路と、を少なくとも備え、前記第一流路の側壁面に開口部が設けられており、該開口部に前記第二流路の一端が接続され、前記開口部側から見た前記第一流路の上流側の側壁面と下流側の側壁面とのなす角が、１８０度未満であることを特徴とする。
請求項１に係るドロップレット生成装置の構成によれば、第一流路、第二流路に、それぞれ第一流体、第二流体を流した際に、第一流路の上流側における第一流体の流れ方向は、下流側の側壁面と１８０度未満の角度をなしている。そのため、開口部から第一流路に流入した第二流体の流れ方向は、第一流体の流れを受けて傾いたとしても、第一流路の下流側の側壁面と平行になることはない。したがって、第一流路に流入した第二流体が、第一流路の側壁面に接触するのを防ぎ、微小なドロップレットを安定的に生成することできる。
本発明の請求項２に係るドロップレット生成装置は、請求項１において、前記上流側の側壁面と前記下流側の側壁面とが、９０度以上の角度をなしていることを特徴とする。
本発明の請求項３に係るドロップレット生成装置は、請求項１または２において、前記開口部は、前記上流側の側壁面と前記下流側の側壁面との交差部から前記下流側に広がっていることを特徴とする。
請求項３に係るドロップレット生成装置の構成によれば、第一流路、第二流路にそれぞれ第一流体、第二流体を流した場合、第二流路の開口部から流出させた直後の線状の第二流体に対して、第一流体の流れによる圧力が、第二流体の長手方向と鋭角をなす斜め方向から加わる。この圧力は、第二流体の長手方向、短手方向のいずれにも加わる。
すなわち、請求項３の構成によれば、従来は短手方向のみに加わっていた圧力のうち、第二流体の長手方向に加わる成分の割合が高くなる。そして、長手方向に加わる圧力は、第二流体を長手方向に引っ張る力として、第二流体に作用する。短手方向に加わる圧力は、第二流体を傾ける力として第二流体に作用するが、長手方向への圧力に変換された分、第二流体の傾きは従来よりも抑えられた状態となる。
したがって、第一流体の圧力が、主に第二流体の長手方向に作用するようになり、作用を受けた第二流体を容易に切断することができる。また、第一流路の下流側の側壁面への濡れ広がりを防ぐことができるため、濡れ広がりによる第二流体の変形にともなって、ドロップレットが所望のサイズより大きく形成されるのを防ぐことができる。これらの結果として、微小なドロップレットを安定的に形成することができる。
本発明の請求項４に係るドロップレット生成装置は、請求項１または２において、前記開口部は、前記上流側の側壁面と前記下流側の側壁面との交差部から前記上流側に広がっていることを特徴とする。
請求項４に係るドロップレット生成装置の構成によれば、第二流体は、第一流路の上流側に傾いた方向に流出するため、流出した第二流体と第一流路の下流側の側壁面との距離が、従来のように側壁面が平坦な場合に比べて大きくなっている。したがって、請求項３に係るドロップレット生成装置の構成によれば、流出した第二流体は、第一流体の流れによる圧力を受けて傾いたとしても、第一流路の側壁面には接触しない。そのため、第二流体が濡れ広がって変形するのを防ぐことができ、ドロップレットが所望のサイズより大きく形成されるのを防ぐことができる。これらの結果として、微小なドロップレットを安定的に形成することができる。
本発明のドロップレット生成装置の構成によれば、第一流路、第二流路に、それぞれ第一流体、第二流体を流した際に、第一流路の上流側における第一流体の流れ方向は、下流側の側壁面と１８０度未満の角度をなしている。そのため、開口部から第一流路に流入した第二流体の流れ方向は、第一流体の流れを受けて傾いたとしても、第一流路の下流側の側壁面と平行になることはない。したがって、第一流路に流入した第二流体が、第一流路の側壁面に接触するのを防ぎ、微小なドロップレットを安定的に生成することできる。
以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明に用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
＜第一実施形態＞
［ドロップレット生成装置の構成］
本発明の第一実施形態に係るドロップレット生成装置１０（１０Ａ、１０Ｂ）の構成について、図１（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、ドロップレット生成装置１０Ａ、１０Ｂの構成を模式的に示す図である。
［ドロップレット生成装置の構成］
本発明の第一実施形態に係るドロップレット生成装置１０（１０Ａ、１０Ｂ）の構成について、図１（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、ドロップレット生成装置１０Ａ、１０Ｂの構成を模式的に示す図である。
初めに、図１（ａ）に示すドロップレット生成装置１０Ａの構成について説明する。ドロップレット生成装置１０Ａは、基板１１と、基板１１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１を流す第一流路１２と、第二流体Ｌ２を流す第二流路１３と、を少なくとも備えている。本実施形態および後述する変形例、実施例の説明に用いる図においては、第一流路１２、第二流路１３の構成を明瞭に示すために、基板１１の内部を一部透明化している。
基板１１としては、例えば、耐薬品性が高く、加工性に優れたガラスなどにより構成される非結晶性基板、石英やシリコンやサファイアなどにより構成される結晶性基板を用いることができる。なお、基板１１は大きさが限定されないため、図１においては、要部が含まれた部分を抜き出して示している。
第一流路１２は、その側壁を、局所的に内側に凹ませてなる部位１２Ａを有している。この部位１２Ａは、第一流路１２に第一流体Ｌ１を流した際に、第一流体Ｌ１の流れる所定の方向ｆ１を、局所的に変化させる機能を有している。部位１２Ａは湾曲していてもよいが、図１（ａ）に示すように屈曲している方が望ましい。
第一流路１２の側壁面には、開口部１３ａが設けられている。そして、この開口部１３ａにおいて、第二流路１３の一端が接続されることによって、第一流路１２と第二流路１３が連通している。
開口部１３ａ側から見た、第一流路１２の上流側（図の左側）の側壁面１２ａと下流側（図の右側）の側壁面１２ｂとは、開口部１３ａ側において１８０度未満の角度をなしている。開口部１３ａは、側壁面１２ｂに設けられており、側壁面１２ａと側壁面１２ｂとの交差部（線）から、第一流路１２の下流側に広がっている。なお、側壁面１２ａと側壁面１２ｂのなす角度θａは、９０度以上であることが望ましい。角度θａを９０度未満とした場合には、第二流路１３を形成することが難しくなる。
図１（ａ）においては、第二流路１３Ａが、側壁面１２ｂに対して垂直をなしている例を示しているが、側壁面１２ｂに対して、第一流路１２の上流側に傾いていてもよい。
第一流路１０２の径は、第二流路１０３の径より大きくなるように設計されており、第一流体の流量は、第二流体の流量を上回る。これにより、第二流体の流れが第一流体の流れに及ぼす影響を小さく抑えられている。したがって、第一流体の流れによる圧力を、開口部から流出する第二流体に対して安定的に作用させることができ、第二流体を容易に切断させることができる。第二流体が切断されることによって形成されたドロップレットは、第二流路の径に等しいサイズのドロップレットとなる。第二流路の径を調整することによって、所望のサイズのドロップレットを形成することができる。
上述した構成において、第一流路１２、第二流路１３に、それぞれ第一流体Ｌ１、第二流体Ｌ２を流した際に得られる、ドロップレット生成装置１０Ａの作用および効果について、図１（ａ）および図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
図２（ａ）は、図１（ａ）の開口部１３ａ近傍を拡大した図である。図２（ａ）は、第一流体Ｌ１に第二流体Ｌ２を合流させた直後の状態を示している。
第二流路１３Ａの開口部１３ａから見て上流側においては、側壁面１２ａの近傍を流れる第一流体Ｌ１は、第一流路１２の側壁面１２ａに沿って流れる（図２（ａ）の矢印ｆ１の方向）。開口部１３ａから流出した第二流体Ｌ２は、側壁面１２ａに沿って流れてきた第一流体Ｌ１の圧力Ｆａを受ける。圧力Ｆａは、側壁面１２ａと同じ方向の圧力である。圧力Ｆａを受けた第二流体Ｌ２は切断されてドロップレットとなる。形成されたドロップレットは、第一流体Ｌ１の流れに乗って下流側へと移動する。
第二流路１３Ａの開口部１３ａから見て下流側においては、側壁面側へ回転するトルクFτを受けるが、側壁面１２ｂは上流側の側壁面１２ａの延長上には形成されておらず、側壁面１２ａと側壁面１２ｂとの位置関係は、１８０度未満の角度をなしている。そのため、開口部１３ａから流出した第二流体Ｌ２は、側壁面１２ｂと接触し壁面に濡れ広がることなく切断されてドロップレットとなる。
以上説明したように、本実施形態のドロップレット生成装置の構成によれば、第一流路、第二流路に、それぞれ第一流体、第二流体を流した際に、第一流路の上流側における第一流体は、上流側の側壁面に沿って流れるので、その流れ方向は、下流側の側壁面と１８０度未満の角度をなしている。そのため、開口部から第一流路に流入した第二流体は、第一流体の流れを受けて傾いたとしても、第一流路の下流側の側壁面と平行になることはない。したがって、第一流路に流入した第二流体が、第一流路の側壁面に接触するのを防ぎ、微小なドロップレットを安定的に生成することできる。
したがって、第一流体の圧力によって、第一流路の下流側の側壁面への第二流体の濡れ広がりを防ぐことができるため、ドロップレットが所望のサイズより大きく形成されるのを防ぐことができる。これらの結果として、微小なドロップレットを安定的に形成することができる。
なお、ドロップレット生成装置は、複数配置し、隣接するドロップレット生成装置の第一流路同士を連結することにより、複合ドロップレット生成装置としてもよい。複合ドロップレット生成装置とすることにより、各ドロップレット生成装置に第二流路が備えられ、複数個所において第二流体を同時に流出させることができるため、流出した第二流体を切断して、大量のドロップレットを同時に形成することができる。
また、複合ドロップレット生成装置とすることにより、第二流路に流す流体をドロップレット生成装置ごとに変えることができ、複数種類の第二流体を同時に流出させることができるため、流出した第二流体を切断して、複数種類のドロップレットを同時に形成することができる。
続いて、図１（ｂ）に示すドロップレット生成装置１０Ｂの構成について説明する。ドロップレット生成装置１０Ｂにおいては、第二流路の開口部１３ｂが、側壁面１２ａに設けられており、側壁面１２ａと側壁面１２ｂとの交差部（線）から、第一流路１２の上流側に開口している。第二流路１３Ｂの開口位置を除いた構成は、図１（ａ）のドロップレット生成装置１０ａの構成と同様である。
ドロップレット生成装置１０Ｂにおいても、開口部１３ｂ側から見た、第一流路１２の上流側（図の左側）の側壁面１２ａと下流側（図の右側）の側壁面１２ｂとが、１８０度未満の角度をなしている。開口部１３ｂは、側壁面１２ａに設けられており、側壁面１２ａと側壁面１２ｂとの交差部（線）から、第一流路１２の上流側に広がっている。なお、側壁面１２ａと側壁面１２ｂのなす角度θｂは、９０度以上であることが望ましい。角度θｂを９０度未満とした場合には、第二流路１３を形成することが難しくなる。
図１（ｂ）においては、第二流路１３Ｂが、側壁面１２ａに対して垂直をなしている例を示しているが、側壁面１２ａに対して、第一流路１２の上流側に傾いていてもよい。また、第二流路１３Ｂは、側壁面１２に対して、第一流路１２の下流側に、側壁面１２ｂと垂直をなすまで傾いていてもよい。
上述した構成において、第一流路１２、第三流路１３Ｂに、それぞれ第一流体Ｌ１、第二流体Ｌ３を流した際に得られる、ドロップレット生成装置１０Ｂの作用および効果について、図１（ｂ）および図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
図３（ａ）は、図１（ｂ）に示した開口部１３ｂ近傍を拡大した図である。図３（ａ）は、第一流体Ｌ１に第二流体Ｌ３を合流させた直後の状態を示している。第二流路１３Ｂの開口部１３ｂから見て上流側においては、側壁面１２ａの近傍を流れる第一流体Ｌ１は、第一流路１２の側壁面１２ａに沿って流れる（図３（ａ）の矢印ｆ１の方向）。開口部１３ｂから流出した第二流体Ｌ３は、側壁面１２ａに沿って流れてきた第一流体Ｌ１の圧力Ｆｂを受ける。圧力Ｆｂは、側壁面１２ａと同じ方向に加わる圧力である。圧力Ｆｂを受けた第二流体Ｌ３は切断されてドロップレットとなる。形成されたドロップレットは、第一流体Ｌ１の流れに乗って下流側へと移動する。
第二流路１３Ｂの開口部１３ｂから見て下流側においては、側壁面側へ回転するトルクFτを受けるが、側壁面１２ｂは上流側の側壁面１２ａの延長上には形成されておらず、側壁面１２ａと側壁面１２ｂとの位置関係は、１８０度未満の角度をなしている。そのため、開口部１３ｂから流出した第二流体Ｌ３は、側壁面１２ｂと接触し壁面に濡れ広がることなく切断されてドロップレットとなる。
流出した第二流体Ｌ３は、上流側の側壁面に沿って流れてきた第一流体の圧力を受けて傾いたとしても、第一流路の側壁面１２ｂには接しない。そのため、第二流体Ｌ３が側壁面１２ｂに接して濡れ広がって変形するのを防ぐことができ、ドロップレットが所望のサイズより大きく形成されるのを防ぐことができる。これらの結果として、微小なドロップレットを安定的に形成することができる。
＜変形例＞
図１に示した、第一実施形態に係るドロップレット生成装置１０の変形例１〜７について、図５〜１０を用いて説明する。
図１に示した、第一実施形態に係るドロップレット生成装置１０の変形例１〜７について、図５〜１０を用いて説明する。
［変形例１］
図４は、変形例１に係るドロップレット生成装置１００の構成を模式的に示す図である。図４に示すように、ドロップレット生成装置１００は、基板１０１と、基板１０１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１を流す第一流路１１２と、第二流体Ｌ２を流す第二流路１１３と、を少なくとも備えている。
図４は、変形例１に係るドロップレット生成装置１００の構成を模式的に示す図である。図４に示すように、ドロップレット生成装置１００は、基板１０１と、基板１０１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１を流す第一流路１１２と、第二流体Ｌ２を流す第二流路１１３と、を少なくとも備えている。
ドロップレット生成装置１００おいては、第一流路１１２が階段状をなしており、開口部１１３ａから見た、第一流路１１２の下流側の側壁面１１２ｂには、流路幅を略一定に保つ屈曲部が設けられている。また、開口部１１３ａから見た、第一流路１１２の上流側の側壁面１１２ａには、流路幅を狭める屈曲部、流路幅を広げる屈曲部が、開口部１１３ａの位置から順に設けられている。
このような構成においても、第一実施形態と同様に、第二流体Ｌ２に対して、第一流体Ｌ１の流れによる圧力が、第二流体の長手方向ｄ１と鋭角をなす斜め方向から加わる。したがって、変形例１に係るドロップレット生成装置１１０においても、開口部から流出した第二流体Ｌ２を、傾きを抑えた状態で引っ張ることができる。そのため、第一流体Ｌ１の圧力が第二流体Ｌ２に対して安定的に作用するようになり、作用を受けた第二流体Ｌ２を容易に切断することができ、ドロップレットＤを安定して形成することができる。
［変形例２］
図５は、変形例２に係るドロップレット生成装置１１０の構成を、模式的に示す図である。図５に示すように、ドロップレット生成装置１１０は、基板１１１と、基板１１１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１の流路をなす第一流路１１２と、第二流体Ｌ２の流路をなす第二流路１１３と、を少なくとも備えている。
図５は、変形例２に係るドロップレット生成装置１１０の構成を、模式的に示す図である。図５に示すように、ドロップレット生成装置１１０は、基板１１１と、基板１１１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１の流路をなす第一流路１１２と、第二流体Ｌ２の流路をなす第二流路１１３と、を少なくとも備えている。
ドロップレット生成装置１１０は、第一流体Ｌ１の流れる方向ｆ１において、第二流路１１３が配された側の第一流路の側壁１１２ａのうち、連通部Ｃより下流側に位置する部分が全て平坦となっている。ドロップレット生成装置１１０のその他の部分の構成については、第一実施形態と同様である。
このような構成においても、第一実施形態と同様に、第二流体Ｌ２に対して、第一流体Ｌ１の流れによる圧力が、第二流体の長手方向ｄ１と鋭角をなす斜め方向から加わる。したがって、変形例１に係るドロップレット生成装置１１０においても、開口部から流出した第二流体Ｌ２を、傾きを抑えた状態で引っ張ることができる。そのため、第一流体Ｌ１の圧力が第二流体Ｌ２に対して安定的に作用するようになり、作用を受けた第二流体Ｌ２を容易に切断することができ、ドロップレットＤを安定して形成することができる。
［変形例３］
図６は、変形例３に係るドロップレット生成装置１２０の構成を、模式的に示す図である。図６に示すように、ドロップレット生成装置１２０は、基板１２１と、基板１２１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１の流路をなす第一流路１２２と、第二流体Ｌ２の流路をなす第二流路１２３と、を少なくとも備えている。
図６は、変形例３に係るドロップレット生成装置１２０の構成を、模式的に示す図である。図６に示すように、ドロップレット生成装置１２０は、基板１２１と、基板１２１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１の流路をなす第一流路１２２と、第二流体Ｌ２の流路をなす第二流路１２３と、を少なくとも備えている。
ドロップレット生成装置１２０は、第一流体Ｌ１の流れる方向ｆ１において、第二流路１２３が配された側の第一流路の側壁１２２ａのうち、連通部Ｃより下流側に位置する部分が全て平坦となっている。また、ドロップレット生成装置１２０は、第二流路１２３が配された側と反対側の第一流路の側壁１２２ｂが全て平坦となっている。ドロップレット生成装置１２０のその他の部分の構成については、第一実施形態と同様である。
このような構成においても、第一実施形態と同様に、第二流体Ｌ２に対して、第一流体Ｌ１の流れによる圧力が、第二流体の長手方向ｄ１と鋭角をなす斜め方向から加わる。したがって、変形例２に係るドロップレット生成装置１２０においても、開口部から流出した第二流体Ｌ２を、傾きを抑えた状態で引っ張ることができる。そのため、第一流体Ｌ１の圧力が第二流体Ｌ２に対して安定的に作用するようになり、作用を受けた第二流体Ｌ２を容易に切断することができ、ドロップレットＤを安定して形成することができる。
［変形例４］
図７は、変形例４に係るドロップレット生成装置１３０の構成を、模式的に示す図である。図７に示すように、ドロップレット生成装置１３０は、基板１３１と、基板１３１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１の流路をなす第一流路１３２と、第二流体Ｌ２の流路をなす第二流路１３３と、を少なくとも備えている。
図７は、変形例４に係るドロップレット生成装置１３０の構成を、模式的に示す図である。図７に示すように、ドロップレット生成装置１３０は、基板１３１と、基板１３１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１の流路をなす第一流路１３２と、第二流体Ｌ２の流路をなす第二流路１３３と、を少なくとも備えている。
ドロップレット生成装置１３０は、第一流体Ｌ１の流れる方向ｆ１において、第二流路１３３が配された側の第一流路の側壁１３２ａのうち、連通部Ｃより下流側に位置する部分に屈曲部Ｅを有している。また、ドロップレット生成装置１３０は、第二流路１３３が配された側と反対側の第一流路の側壁１３２ｂ全て平坦となっている。ドロップレット生成装置１３０のその他の部分の構成については、第一実施形態と同様である。
このような構成においても、第一実施形態と同様に、第二流体Ｌ２に対して、第一流体Ｌ１の流れによる圧力が、第二流体の長手方向ｄ１と鋭角をなす斜め方向から加わる。したがって、変形例３に係るドロップレット生成装置１３０においても、開口部から流出した第二流体Ｌ２を、傾きを抑えた状態で引っ張ることができる。そのため、第一流体Ｌ１の圧力が第二流体Ｌ２に対して安定的に作用するようになり、作用を受けた第二流体Ｌ２を容易に切断することができ、ドロップレットＤを安定して形成することができる。
［変形例５］
図８は、変形例５に係るドロップレット生成装置１４０の構成を、模式的に示す図である。図８に示すように、ドロップレット生成装置１４０は、基板１４１と、基板１４１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１の流路をなす第一流路１４２と、第二流体Ｌ２の流路をなす第二流路１４３と、を少なくとも備えている。
図８は、変形例５に係るドロップレット生成装置１４０の構成を、模式的に示す図である。図８に示すように、ドロップレット生成装置１４０は、基板１４１と、基板１４１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１の流路をなす第一流路１４２と、第二流体Ｌ２の流路をなす第二流路１４３と、を少なくとも備えている。
ドロップレット生成装置１４０は、第一流体Ｌ１の流れる方向ｆ１において、第二流路１４３が配された側の第一流路の側壁１４２ａのうち、連通部Ｃより上流側に位置する部分が外側に突出している。また、ドロップレット生成装置１４０は、第二流路１４３が配された側と反対側の第一流路の側壁１４２ｂ全て平坦となっている。ドロップレット生成装置１４０のその他の部分の構成については、第一実施形態と同様である。
このような構成においても、第一実施形態と同様に、第二流体Ｌ２に対して、第一流体Ｌ１の流れによる圧力が、第二流体の長手方向ｄ１と鋭角をなす斜め方向から加わる。したがって、変形例４に係るドロップレット生成装置１４０においても、開口部から流出した第二流体Ｌ２を、傾きを抑えた状態で引っ張ることができる。そのため、第一流体Ｌ１の圧力が第二流体Ｌ２に対して安定的に作用するようになり、作用を受けた第二流体Ｌ２を容易に切断することができ、ドロップレットＤを安定して形成することができる。
［変形例６］
図９は、変形例６に係るドロップレット生成装置１５０の構成を、模式的に示す図である。図９に示すように、ドロップレット生成装置１５０は、基板１５１と、基板１５１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１の流路をなす第一流路１５２と、第二流体Ｌ２の流路をなす第二流路１５３と、を少なくとも備えている。開口部から見た上流側において、変形例１〜５のドロップレット生成装置では、第二流体の流入方向に対して垂直な横方向の流れと斜めの方向の流れが混在していたのに対し、変形例６のドロップレット生成装置では、全て第二流体の流入方向に対して斜めの方向の流れが支配的である。
図９は、変形例６に係るドロップレット生成装置１５０の構成を、模式的に示す図である。図９に示すように、ドロップレット生成装置１５０は、基板１５１と、基板１５１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１の流路をなす第一流路１５２と、第二流体Ｌ２の流路をなす第二流路１５３と、を少なくとも備えている。開口部から見た上流側において、変形例１〜５のドロップレット生成装置では、第二流体の流入方向に対して垂直な横方向の流れと斜めの方向の流れが混在していたのに対し、変形例６のドロップレット生成装置では、全て第二流体の流入方向に対して斜めの方向の流れが支配的である。
ドロップレット生成装置１５０は、第一流体Ｌ１の流れる方向ｆ１において、第二流路１５５が配された側の第一流路の側壁１５２ａのうち、連通部Ｃより上流側に位置する部分と、第二流路１５３が配された側と反対側の第一流路の側壁１５２ｂとの距離が一定である。また、ドロップレット生成装置１５０は、第一流体Ｌ１の流れる方向ｆ１において、第二流路１５３が配された側の第一流路の側壁１５２ａのうち、連通部Ｃより下流側に位置する部分が全て平坦となっている。また、ドロップレット生成装置１５０は、第二流路１５３が配された側と反対側の第一流路の側壁１５２ｂが全て平坦となっている。ドロップレット生成装置１５０のその他の部分の構成については、第一実施形態と同様である。
このような構成においても、第一実施形態と同様に、第二流体Ｌ２に対して、第一流体Ｌ１の流れによる圧力が、第二流体の長手方向ｄ１と鋭角をなす斜め方向から加わる。したがって、変形例５に係るドロップレット生成装置１５０においても、開口部から流出した第二流体Ｌ２を、傾きを抑えた状態で引っ張ることができる。そのため、第一流体Ｌ１の圧力が第二流体Ｌ２に対して安定的に作用するようになり、作用を受けた第二流体Ｌ２を容易に切断することができ、ドロップレットＤを安定して形成することができる。
［変形例７］
図１０は、変形例７に係るドロップレット生成装置１６０の構成を、模式的に示す図である。図１０に示すように、ドロップレット生成装置１６０は、基板１６１と、基板１６１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１の流路をなす第一流路１６２と、第二流体Ｌ２の流路をなす第二流路１６３と、を少なくとも備えている。第一流路において、変形例１〜５のドロップレット生成装置では、第二流体の流入方向に対して垂直な横方向の流れと斜めの方向の流れが混在していたのに対し、変形例７のドロップレット生成装置では、全て第二流体の流入方向に対して斜めの方向の流れが支配的である。
図１０は、変形例７に係るドロップレット生成装置１６０の構成を、模式的に示す図である。図１０に示すように、ドロップレット生成装置１６０は、基板１６１と、基板１６１の内部または表面に形成された、第一流体Ｌ１の流路をなす第一流路１６２と、第二流体Ｌ２の流路をなす第二流路１６３と、を少なくとも備えている。第一流路において、変形例１〜５のドロップレット生成装置では、第二流体の流入方向に対して垂直な横方向の流れと斜めの方向の流れが混在していたのに対し、変形例７のドロップレット生成装置では、全て第二流体の流入方向に対して斜めの方向の流れが支配的である。
ドロップレット生成装置１６０は、第一流体Ｌ１の流れる方向ｆ１において、第二流路１６５が配された側の第一流路の側壁１６２ａのうち、連通部Ｃより下流側に位置する部分が、第二流路の長手方向ｄ１に垂直な面Ｓに対して、角度αの傾斜を有している。また、ドロップレット生成装置１６０は、第一流体Ｌ１の流れる方向ｆ１において、第二流路１６５が配された側の第一流路の側壁１６２ａのうち、連通部Ｃより上流側に位置する部分と、第二流路１６３が配された側と反対側の第一流路の側壁１６２ｂとの距離が一定である。
また、ドロップレット生成装置１６０は、第一流体Ｌ１の流れる方向ｆ１において、第二流路１６３が配された側の第一流路の側壁１６２ａのうち、連通部Ｃより下流側に位置する部分が全て平坦となっている。また、ドロップレット生成装置１６０は、第二流路１６３が配された側と反対側の第一流路の側壁１６２ｂが全て平坦となっている。ドロップレット生成装置１６０のその他の部分の構成については、第一実施形態と同様である。
このような構成においても、第一実施形態と同様に、第二流体Ｌ２に対して、第一流体Ｌ１の流れによる圧力が、第二流体の長手方向ｄ１と鋭角をなす斜め方向から加わる。したがって、変形例６に係るドロップレット生成装置１６０においても、開口部から流出した第二流体Ｌ２を、傾きを抑えた状態で引っ張ることができる。そのため、第一流体Ｌ１の圧力が第二流体Ｌ２に対して安定的に作用するようになり、作用を受けた第二流体Ｌ２を容易に切断することができ、ドロップレットＤを安定して形成することができる。
以下、第一実施形態に該当する実施例１、２を用いて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は実施例１、２に限定されるものではない。
［実施例１］
図１１（ａ）は、第一実施形態に係るドロップレット生成装置を含んだ、ドロップレット形成用のデバイス２００の構成例を模式的に示す図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ線において、デバイス２００を切断した際の断面図である。
図１１（ａ）は、第一実施形態に係るドロップレット生成装置を含んだ、ドロップレット形成用のデバイス２００の構成例を模式的に示す図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ線において、デバイス２００を切断した際の断面図である。
デバイス２００は、基板２０１と、基板の内部に形成された第一流路２０２と、第二流路２０３と、第三流路２０４と、を含んでいる。第一流路２０２、第三流路２０４は、それぞれ第一流体Ｌ１、第二流体Ｌ２の流路をなしている。第二流路２０３は、第一流路２０２と第三流路２０４とを連通し、第三流路２０４から第一流路２０２に向けて第二流体Ｌ２を流出させる機能を有している。
デバイス２００の構成によれば、第一流路２０２、第二流路２０３、第三流路２０４にそれぞれ第一流体Ｌ１、第二流体Ｌ２を流した場合、第三流路２０４から第二流路２０３を経由して第一流路２０２へ流出させた線状の第二流体Ｌ２に対して、第一流体の流れｆ１による圧力が、第二流体の長手方向ｄ１と鋭角をなす斜め方向から加わる。この圧力の一部は、長手方向に加わる圧力に変換され、第二流体を長手方向に引っ張る力として、第二流体に作用する。短手方向に加わる圧力は、第二流体を傾ける力として第二流体に作用するが、長手方向への圧力に変換された分、第二流体の傾きは従来よりも抑えられた状態となる。
したがって、第一流体Ｌ１の圧力が、主に第二流体の長手方向に作用するようになり、作用を受けた第二流体Ｌ２を容易に切断することができる。また、第一流路の下流側の側壁面２０２ａへの濡れ広がりを防ぐことができるため、濡れ広がりによる第二流体Ｌ２の変形にともなって、ドロップレットＤが所望のサイズより大きく形成されるのを防ぐことができる。これらの結果として、微小なドロップレットＤを安定的に形成することができる。
図１１に示したデバイス２００の製造方法について、図１２、１３を用いて説明する。図１２は、デバイス２００の製造工程のフローを示している。図１３は、デバイスの製造過程における被処理体の要部断面を、製造工程の順に、段階的に示した図である。
デバイス２００は、図１２に示す４つの工程、すなわち、第一流路用のレーザー照射工程、第二流路用のレーザー照射工程、第三流路用のレーザー照射工程、改質部エッチング工程、を経ることにより、製造することができる。
まず、図１３（ａ）に示すように、第一工程（工程Ｐ１）として、基板２０１の内部のうち第一流路を形成する領域に、レーザー光Ｌを集光照射し、基板の一面２０１ａと平行な方向Ｓに、焦点Ｌｆを走査させて構造改質部（改質部）２０１Ａを形成する。
第一工程は、２つのステップを経て行う。すなわち、１つ目のステップとして、光源において発光する、パルス幅がピコ秒オーダー以下の直線偏光したレーザー光（直線偏光レーザー光）に対して、強度が所望の大きさとなるように調整を行う。
具体的には、基板２０１に集光照射した、レーザー光Ｌの焦点Ｌｆにおける強度が、加工下限閾値より大きくなるように調整を行う。ここでの加工下限閾値は、直線偏光レーザー光を基板２０１の表面近傍に集光照射させた際に、集光した焦点において、改質部を形成することが可能な下限値として定義されるものである。
さらに、レーザー光Ｌの強度は、形成する改質部がエッチング除去可能となるように、工程Ｐ１において、基板の一面２０１ａから、改質部を形成する位置までの距離に応じて調整する。
次に、２つ目ステップとして、光源において発生するレーザー光Ｌを、レンズを透過させるなどして基板２０１の内部に集光照射させ、改質部（微細孔）を形成する領域に沿って、集光した焦点Ｌｆを走査させる。
以上の２つのステップを経ることにより、基板２０１の内部において、レーザー光Ｌを集光照射して走査した領域とその近傍の領域に、改質部２０２Ａを形成することができる。形成された改質部２０２Ａは、レーザー光Ｌの集光照射により、エッチング耐性が弱められている。
実際には、レーザー光Ｌを走査した際に、走査した領域、すなわち改質予定の領域に第一改質部が形成されるとともに、走査した領域近傍の領域、すなわち改質予定でない領域に第二改質部が形成される。ただし、第一改質部のエッチング耐性は、第二改質部のエッチング耐性よりも弱くなっている。
次に、第二工程（工程Ｐ２）として、図１３（ｂ）に示すように、基板２０１の内部のうち第二流路を形成する領域に、レーザー光Ｌを集光照射し、基板の一面２０１ａと平行な方向Ｓに、焦点Ｌｆを走査させて構造改質部（改質部）２０３Ａを形成する。第二工程も、第一工程と同様の二つのステップを経て行う。
次に、第三工程として、図１３（ｃ）に示すように、基板２０１の内部のうち第三流路を形成する領域に、レーザー光Ｌを集光照射し、基板の一面２０１ａと平行な方向Ｓに、焦点Ｌｆを走査させて構造改質部（改質部）２０４Ａを形成する。第三工程も、第一工程、第二工程と同様の二つのステップを経て行う。
次に、第四工程（工程Ｐ３）として、図１３（ｄ）に示すように、改質部２０２Ａ、２０３Ａ、２０４Ａに対して選択的にエッチング処理を行い、基板２０１の内部に第一流路２０２、第二流路２０３、第三流路２０４を形成する。
エッチング処理は、ドライエッチング法、ウェットエッチング法のどちらを用いて行ってもよいが、三次元構造の微細孔を形成するため、等方性の高いウェットエッチング法を用いる方が好ましい。よって、本実施例１における工程Ｐ３のエッチング処理は、ウェットエッチング法を適用して行うものとする。
具体的には、第三工程を経た被処理体を、特定の容器に収容されたエッチング液に浸漬する。そして、基板２０１の内部に形成された改質部２０２Ａ、２０３Ａ、２０４Ａの全体にエッチング液を染み込ませ、これらの除去を進行させる。
第四工程のエッチング処理は、基板２０１の内部において、改質部２０２Ａ、２０３Ａ、２０４Ａが、レーザー照射されずに構造改質していない部分に比べて、速くエッチングされる現象を利用するものであり、その結果として、改質部２０２Ａ、２０３Ａ、２０４Ａの形状に応じた流路を形成することができる。
エッチング液としては、例えばフッ酸（ＨＦ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などのアルカリ溶液、フッ酸に硝酸等を適量添加したフッ硝酸系の混酸溶液などを用いることができ、第一基板１０１を構成する材料に応じて、他の薬液を用いることもできる。
特に、水酸化カリウムを主成分とするアルカリ溶液（ＫＯＨ溶液）は、エッチング液としての選択性が高く、改質部のみを選択的に除去する機能に優れる。そのため、ＫＯＨ溶液は、例えば、互いに近接して形成された複数の第一改質部を除去して微細孔をなす空間を形成する際に、空間同士が繋がってしまわないように、第一改質部のみをより選択的に除去することが求められる場合に有効となる。
第四工程を経ることにより、基板２０１内部の所望の位置に、第一流路２０２、第二流路２０３、第三流路２０４が形成され、図１１に示したデバイス２００を得ることができる。
なお、工程Ｐ１において用いるレーザー光は、ミクロンオーダーよりも小さな微小領域を走査して改質させることが可能である。したがって、最小寸法をナノオーダー（数１０［ｎｍ］〜１００［ｎｍ］のオーダー）とする流路を形成することができる。
［実施例２］
図１４（ａ）は、第一実施形態に係るドロップレット生成装置を含んだ、ドロップレット形成用のデバイス３００の構成例を模式的に示す図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＢ−Ｂ線において、デバイス３００を切断した際の断面図である。
図１４（ａ）は、第一実施形態に係るドロップレット生成装置を含んだ、ドロップレット形成用のデバイス３００の構成例を模式的に示す図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＢ−Ｂ線において、デバイス３００を切断した際の断面図である。
デバイス３００は、第一基板３０１と、第一基板の一面３０１ａに形成された第一凹部３０２および第二凹部３０３と、第一凹部３０２および第二凹部３０４が覆われるように、第一基板の一面３０１ａに重ねられた第二基板３０５と、を含んでいる。第一凹部３０２、第二凹部３０４は、それぞれ第一流体Ｌ１の流路、第二流体Ｌ２の流路をなしている。
また、デバイス３００は、第一基板３０１の内部において、第二基板３０５と第一凹部３０２とで囲まれた内部空間および第二基板３０５と第二凹部３０４とで囲まれた内部空間を連通する微細孔３０３と、を含んでいる。この微細孔３０３によって、一方の内部空間から他方の内部空間に向けて、第一流体Ｌ１または第二流体Ｌ２を流すことが可能となる。
デバイス３００の構成によれば、各流路に第一流体Ｌ１、第二流体Ｌ２を流した場合、微細孔２０３から第一流路２０２へ流出させた線状の第二流体Ｌ２に対して、第一流体の流れｆ１による圧力が、第二流体の長手方向ｄ１と鋭角をなす斜め方向から加わる。この圧力の一部は、長手方向に加わる圧力に変換され、第二流体を長手方向に引っ張る力として、第二流体に作用する。短手方向に加わる圧力は、第二流体を傾ける力として第二流体に作用するが、長手方向への圧力に変換された分、第二流体の傾きは従来よりも抑えられた状態となる。
したがって、第一流体Ｌ１の圧力が第二流体Ｌ２に対して安定的に作用するようになり、作用を受けた第二流体Ｌ２を容易に切断することができ、ドロップレットＤを安定して形成することができる。また、第一凹部の側壁３０２ａへの濡れ広がりを防ぐことができるため、濡れ広がりによる第二流体Ｌ２の変形にともなって、ドロップレットＤが所望のサイズより大きく形成されるのを防ぐことができる。これらの結果として、微小なドロップレットＤを安定的に形成することができる。
図１４に示したデバイス３００の製造方法について、図１５、１６を用いて説明する。図１５は、デバイス３００の製造工程のフローを示している。図１６は、デバイスの製造過程における被処理体の要部断面を、製造工程の順に、段階的に示した図である。
デバイス３００は、図１５に示す６つの工程、すなわち、レーザー照射工程、パターニング工程、Ｄｒｙエッチング工程、レジスト剥離工程、改質部エッチング工程、キャップ接合工程、を経ることにより、製造することができる。
まず、第一工程として、図１６（ａ）に示すように、第一基板３０１の内部のうち微細孔を形成する領域に、レーザー光Ｌを集光照射し、第一基板の一面３０１ａと平行な方向Ｓに、焦点Ｌｆを走査させて構造改質部（改質部）３０３Ａを形成する。この工程は、実施例１として説明したデバイス２００の製造方法における、第一工程と同様の二つのステップを経て行う。
次に、第二工程として、図１６（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法によるミクロンオーダーの流路（マイクロ流路）用のパターニングを行い、第一基板３０１の第一凹部３０２、第二凹部３０４を設ける部分を除いた部分を、レジストＲを用いてマスクする。
続いて第三工程として、図１６（ｃ）に示すように、マスクされていない、第一凹部３０２、第二凹部３０４を設ける部分を、ドライエッチング処理を行って除去する。これにより、第一基板の一方の主面３０１ａに第一凹部３０２および第二凹部３０４が形成され、各々の凹部の内側面において、改質部３０３Ａが露出する。
続いて第四工程として、マスクに用いたレジストＲを、第一基板３０１から剥離させて除去する。
次に、第五工程として、図１６（ｄ）に示すように、改質部３０３Ａに対して選択的にエッチング処理を行い、第一基板３０１の内部に微細孔３０３を形成する。
次に、第六工程として、図１６（ｅ）に示すように、第六工程を経た第一基板の一面３０１ａに、少なくとも第一凹部３０２および第二凹部３０４が覆われるように、第二基板３０５を接合（キャップ接合）する。第一〜第六工程を経ることにより、図１４に示したデバイス２００を得ることができる。
［実施例３］
上述した製造方法の他にも、半導体分野におけるフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることで、本発明のドロップレット生成装置を製造することができる。
先ず、基板の一面上にレジスト層を形成する。レジスト層は、第一流路および第二流路が形成される領域が開口されており、この開口部においては基板が露出している。この基板をエッチング処理すると、基板に第一流路及び第二流路が形成される。第一流路と第二流路とを一括して形成してもよいし、各々を個別に形成してもよい。第一流路と第二流路とを形成した後、基板からレジスト層を除去する。そして、基板上にキャップ基板を被せることで、第一流路および第二流路を備えたドロップレット生成装置を形成することができる。
上述した製造方法の他にも、半導体分野におけるフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いることで、本発明のドロップレット生成装置を製造することができる。
先ず、基板の一面上にレジスト層を形成する。レジスト層は、第一流路および第二流路が形成される領域が開口されており、この開口部においては基板が露出している。この基板をエッチング処理すると、基板に第一流路及び第二流路が形成される。第一流路と第二流路とを一括して形成してもよいし、各々を個別に形成してもよい。第一流路と第二流路とを形成した後、基板からレジスト層を除去する。そして、基板上にキャップ基板を被せることで、第一流路および第二流路を備えたドロップレット生成装置を形成することができる。
本発明は、所望のサイズのドロップレットを大量かつ高速に形成する装置として、広く適用することができる。
１０、１０Ａ、１０Ｂ・・・ドロップレット生成装置、１１・・・基板、
１２・・・第一流路、１２ａ、１２ｂ・・・側壁面、１２Ａ・・・部位、
１３、１３Ａ、１３Ｂ・・・第二流路、１３ａ、１３ｂ・・・開口部、Ｃ・・・連通部、Ｄ・・・ドロップレット、ｆ１、ｆ２、ｆ３・・・流れ、Ｌ１・・・第一流体、
Ｌ２、Ｌ３・・・第二流体、θａ、θｂ・・・角度。
１２・・・第一流路、１２ａ、１２ｂ・・・側壁面、１２Ａ・・・部位、
１３、１３Ａ、１３Ｂ・・・第二流路、１３ａ、１３ｂ・・・開口部、Ｃ・・・連通部、Ｄ・・・ドロップレット、ｆ１、ｆ２、ｆ３・・・流れ、Ｌ１・・・第一流体、
Ｌ２、Ｌ３・・・第二流体、θａ、θｂ・・・角度。
Claims (4)
- 基板に、第一流路と、第二流路と、を少なくとも備え、
前記第一流路の側壁面に開口部が設けられており、該開口部に前記第二流路の一端が接続され、
前記開口部側から見た前記第一流路の上流側の側壁面と下流側の側壁面とのなす角が、１８０度未満であることを特徴とするドロップレット生成装置。 - 前記上流側の側壁面と前記下流側の側壁面とが、９０度以上の角度をなしていることを特徴とする請求項１に記載のドロップレット生成装置。
- 前記開口部は、前記上流側の側壁面と前記下流側の側壁面との交差部から前記下流側に広がっていることを特徴とする請求項１または２に記載のドロップレット生成装置。
- 前記開口部は、前記上流側の側壁面と前記下流側の側壁面との交差部から前記上流側に広がっていることを特徴とする請求項１または２に記載のドロップレット生成装置。
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