JP2017003032A - マイクロバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】バルブ開閉用の制御力と横方向の流路にかかる流体の力とが直角に交わる場合に、小さな力でバルブ開閉機能を駆動することができるマイクロバルブを提供する。【解決手段】流体が流れる流路である凹部３と、流路部を上部から覆うように張力によって張られている弾性膜２と、弾性膜をその上方から押さえる球体１と、その球体を支える球体ステー１ａと、球体に上下動を与えるアクチュエータ５と、アクチュエータによる上下動を制御する制御部６とを備えるマイクロバルブで構成する。凹部は、湾曲底面３ａと、流路側面３ｂとで規定されており、凹部の湾曲底面は、球体の球面と同じ曲率半径を有し、凹部の側面は、平面であり、凹部の縦断面形状において、湾曲底面と平面との変更点は所定範囲内に位置している。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、マイクロ流路を開閉するマイクロバルブに関する。

従来、マイクロデバイス及びマイクロチップの液流路上では、送液する液体を前後、及び停止（以下：バルブ機構）を制御するバルブ機能を必要としているデバイスである。その送液制御する力を最小限にするため、流路と直交する方向ではなく、流路と同じ方向、又は正反対の方向の力で制御している。これは、流路と同じ方向、又は正反対の方向の力で制御したほうが、力の分散も無く、より少ない力でバルブ機構を機能させるためである。この場合、マイクロデバイス及びマイクロチップでは、基板が薄いため、流路の送液方向は、基板に対し横方向に配置している。このため、バルブ機構では、流路方向を、一旦、基板の表面内で流路の送液方向とは直交する方向に変更し、流路の送液の方向と同方向、又は正反対の方向に加わる力で、弁を動作させ、弁により液体の前進、停止を制御している。

ところが、基板の表面内で流路の送液方向と直交する方向に変更できない場合にバルブ機構を設けるとき、バルブ開閉用の制御力と、流路にかかる流体の力とが直角に交わることになる。

このようなバルブ機構の一例として、図２１に示す構成がある。この構成では、流路１０１の樹脂製の蓋１０４の上に鋼球１０２を接着剤１０３で固定し、鋼球１０２の上に摺動子１０６を上下移動可能に配置している。そして、鉤型のストッパ１０５を摺動子１０６に係止して、バルブ開閉用の制御力として、流路１０１の送液方向と直交する下向きの力を発生させる。すると、摺動子１０６が下向きに押圧付勢され、鋼球１０２により蓋１０４を介して流路１０１を閉鎖する。一方、ストッパ１０５を摺動子１０６から外すと、蓋１０４による流路１０１の閉鎖を解放して流路１０１を開くことができる。このような構成のバルブ開閉機構が特許文献１に開示されている。

特開２００５−２７４４０５号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、バルブ開閉用の制御力と横方向の流路にかかる流体の力とが直角に交わらざるを得ず、非常に大きな力が必要となる、という問題があった。

従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、バルブ開閉用の制御力と横方向の流路にかかる流体の力とが直角に交わる場合に、小さな力でバルブ開閉機能を駆動することができるマイクロバルブを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の１つの態様によれば、マイクロ流路を開閉するマイクロバルブであって、
少なくとも下部に球面を有する球体と、
前記球体と接続され、かつ前記球体が上下運動を可能に支持する支持部と、
前記球体の上部と接触するように配置され、かつ伸縮することにより前記球体を上下運動させるアクチュエータと、
前記球体の下部に位置する前記マイクロ流路である凹部を有する第１の平面を備えるバルブ筐体と、
前記球体の前記下部と接触し、かつ前記凹部を覆うように、前記第１の平面上に配置される弾性膜とを具備し、
前記凹部は、湾曲底面と、側面とで規定されており、
前記凹部の前記湾曲底面は、前記球体の前記球面と同じ曲率半径を有し、
前記凹部の前記側面は、平面であり、
前記凹部の縦断面形状において、前記湾曲底面と前記平面との変更点は、前記球体の半径をｒ、弾性膜の厚さをｔとするとき、前記凹部の前記湾曲底面の下端位置からｒ(1-3^(1/2)/2)＋ｔの距離の位置から、前記凹部の前記湾曲底面の前記下端位置から（５/６）ｒ＋ｔの高さの位置までの範囲内に位置する、マイクロバルブを提供する。

本発明の前記１つの態様によれば、バルブ開閉用の制御力と横方向の流路にかかる流体の力とが直角に交わる場合に、流路側面が平面であることにより、球体によって押された弾性膜に負荷が掛かることなく、小さな力でバルブ開閉機能を駆動することができる。

本発明の第１実施形態におけるバルブ機構のバルブ開状態での断面構造を示す縦断面図 本発明の第１実施形態におけるバルブ機構の上方から見た状態を示す部分拡大平面図 本発明の第１実施形態の変形例におけるバルブ機構の上方から見た状態を示す平面図 図１Ｃにおけるバルブ機構の縦断面側面図 本発明の第１実施形態におけるバルブ機構のバルブ閉状態での断面構造を示す縦断面図 本発明の第１実施形態の別の変形例におけるバルブ機構の上方から見た状態を示す部分拡大平面図 図３Ａの別の変形例におけるバルブ機構の上方から見た状態を示すバルブ機構全体の平面図 図３Ａの別の変形例におけるバルブ機構の縦断面側面図 図３Ａの別の変形例において球体ステーを追加した状態でのバルブ機構の斜視図 本発明の第１実施形態のさらに別の変形例におけるバルブ機構の上方から見た状態を示す部分拡大平面図 図４Ａのさらに別の変形例におけるバルブ機構の上方から見た状態を示すバルブ機構全体の平面図 図４Ａのさらに別の変形例におけるバルブ機構の縦断面側面図 図４Ａのさらに別の変形例において球体ステーを追加した状態でのバルブ機構の斜視図 本発明の第１実施形態におけるマイクロチップを上方から見た状態を示す平面図 本発明の第１実施形態におけるマイクロチップの構造を示す図５のＡ−Ａ’線断面図 本発明の第１実施形態におけるマイクロチップの構造を示す図５のＢ−Ｂ’線断面図 本発明の第１実施形態におけるマイクロチップの断面構造を示す図５のＣ−Ｃ’線断面図 本発明の第１実施形態におけるバルブ機構の断面構造を示す縦断面図 本発明の第１実施形態におけるバルブ機構の上方から見た状態を示す平面図 本発明の第１実施形態におけるバルブ機構の凹部の縦断面形状において湾曲底面と平面との変更点を説明するための説明図 本発明の第１実施形態におけるバルブ機構の凹部の縦断面形状において湾曲底面と平面との変更点を説明するための説明図 本発明の第１実施形態と比較したバルブ機構の断面構造を示す縦断面図 本発明の第１実施形態と比較したバルブ機構の断面構造を示す縦断面図 本発明の第１実施形態の効果を比較した実験結果を示す説明図 本発明の第１実施形態と比較したラインバルブ機構の断面構造を示す縦断面図 本発明の第１実施形態と比較したラインバルブ機構の上方から見た状態を示す平面図 本発明の第１実施形態と比較したラインバルブ機構の断面構造を示す縦断面図 本発明の第１実施形態と比較したラインバルブの断面構造を示す縦断面図 本発明の第１実施形態と比較したラインバルブの断面構造を示す縦断面図 本発明の第１実施形態の効果を比較した実験結果を示す説明図 本発明の第１実施形態の効果を比較した実験結果を示すグラフ 本発明の第１実施形態の効果を比較した実験結果を示すグラフ 本発明の第１実施形態の効果を比較した実験結果を示す説明図 特許文献１のバルブ機構の断面図

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。

本発明の第１の態様によれば、マイクロ流路を開閉するマイクロバルブであって、
少なくとも下部に球面を有する球体と
前記球体と接続され、かつ前記球体が上下運動を可能に支持する支持部と、
前記球体の上部と接触するように配置され、かつ伸縮することにより前記球体を上下運動させるアクチュエータと、
前記球体の下部に位置する前記マイクロ流路である凹部を有する第１の平面を備えるバルブ筐体と、
前記球体の前記下部と接触し、かつ前記凹部を覆うように、前記第１の平面上に配置される弾性膜とを具備し、
前記凹部は、湾曲底面と、側面とで規定されており、
前記凹部の前記湾曲底面は、前記球体の前記球面と同じ曲率半径を有し、
前記凹部の前記側面は、平面であり、
前記凹部の縦断面形状において、前記湾曲底面と前記平面との変更点は、前記球体の半径をｒ、弾性膜をｔとするとき、前記凹部の前記湾曲底面の下端位置からｒ(1-3^(1/2)/2)＋ｔの距離の位置から、前記凹部の前記湾曲底面の前記下端位置から（５/６）ｒ＋ｔの高さの位置までの範囲内に位置する、マイクロバルブを提供する。

前記態様によれば、バルブ開閉用の制御力と横方向の流路にかかる流体の力とが直角に交わる場合に、流路側面が平面であることにより、球体によって押された弾性膜に負荷が掛かることなく、小さな力でバルブ開閉機能を駆動することができる。

本発明の第２の態様によれば、前記球体は、複数個で構成される、第１の態様に記載のマイクロバルブを提供する。

前記態様によれば、前記球体及び前記凹部の形状不良などにより、バルブ開閉機能が低下し、流体がリークした場合でも、複数個で構成された場合では流体の前進、及び停止の制御に確実性が増す。

本発明の第３の態様によれば、前記球体は、３個以上の複数で構成されるマイクロバルブが、前記マイクロ流路に沿って１列に配置されている、第１又は２の態様に記載のマイクロバルブを提供する。

前記態様によれば、前記球体及び前記凹部の形状不良などにより、バルブ開閉機能が低下し、流体がリークした場合でも、前記球体が２個で構成された場合以上に、前記球体が３個以上で構成された場合、更に流体の前進、及び停止の制御に確実性が増す。
□以下、本発明を、一実施形態を用いて、図面を参照しながら具体的に説明する。
□（第１実施形態）
図１Ａは、本発明の第１実施形態におけるマイクロバルブの一例としてのバルブ機構１００のバルブ開状態での断面構造を示す図であり、図１Ｂはバルブ機構１００を上から見た図である。図２は、バルブ機構１００のバルブ閉状態での断面構造を示す図である。

バルブ機構１００は、球体１と、一対の球体ステー１ａと、弾性膜２と、マイクロ流路３である凹部を有する筐体３３と、ピストン５と、ピストン制御部６とを備えて、マイクロ流路３を開閉する。一対の球体ステー１ａは支持部の一例として機能する。弾性膜２は弾性体部の一例として機能する。ピストン５はアクチュエータの一例として機能する。ピストン制御部６は、制御部の一例として機能する。

球体１は、少なくとも下部に球面１ｂを有する。球体１の一例としては、真球の樹脂又は金属などである。球体１は、流路３の直上に、一例として、流路幅方向の中央部に、弾性膜２と接触するように配置されている。球体１の直径は、流路３の幅の値より小さい。

一対の球体ステー１ａは、両側から球体１と接続されかつ球体１を上下運動可能に支持している。図１Ａ及び図１Ｂでは、各球体ステー１ａは、一例としてＬ字状に屈曲しているが、球体１を少なくとも上下運動可能、一例としては球体１を上下及び前後左右に移動の可能に支持できれば、このような形状に限られるものではなく、湾曲していてもよい。

一対の球体ステー１ａは、例えば球体ステー１ａの材料自体の弾性力により、球体１を流路３から離した上端位置に常時位置するように上向きに付勢し、何らかの外力が球体１に作用すれば、球体ステー１ａの付勢力に抗して球体１を流路３に押し付けることができるように構成している。一例として、一対の球体ステー１ａは流路３の長手方向と直交する方向沿いに球体１を支持して、球体１の上下運動が、流路３の長手方向と直交する方向沿いとしている。また、球体ステー１ａの付勢力により、球体１が少々ずれて下降したとしても、球体ステー１ａの弾性力で所定の初期位置に自動的に復元することができるように構成している。

なお、図１Ｃ及び図１Ｄに示すように、球体１を１本のみの球体ステー１ａで片持ち支持するようにしてもよい。このように構成すれば、球体ステー１ａが１本で良くなり、部品点数を少なくすることができる。

バルブ筐体３３は、一例として、第１の平面３ｃを上端に有し、第１の平面３ｃに、球体１の下方に位置するマイクロ流路である流路３を直線状に有する板状部材である。流路３は、上面が開口しており、その中を流体が流れる。流路３の縦断面形状は、球体１の下部の球面１ｂと同じ曲率半径の湾曲面を形成しており、弾性膜２を介して球面１ｂが流路３の内面に密着して、凹部である流路を閉鎖可能となっている。

詳しくは、流路３の縦断面形状は、流路底面３ａと、流路側面３ｂとで規定されている。流路３の流路底面３ａは、球体１の球面１ｂと同じ曲率半径を有し、流路３の流路側面３ｂは、平面である。球体１の下向きの運動により、弾性膜２の下面２ａが流路３の流路底面３ａと接しているときに、弾性膜２の下面の流路３の流路側面３ｂと接する部分に対向する上面の部分（すなわち、球体１の周囲の部分に対応する部分）２ｂは、球体１と接触しないように、流路側面３ｂは、球体１から離れる方向に傾きを有する平面（切断面の場合は直線）により構成される。すなわち、流路側面３ｂは、流路底面３ａと同様の曲率半径を有する面よりも、曲率半径を規定する中心から遠ざかるように位置する。

流路３の縦断面形状において、流路底面３ａと平面３ｂとの変更点は、球体１の半径をｒ、弾性膜２の厚さｔとするとき、凹部３の流路底面３ａの下端位置６１からｒ（１−３＾（１／２）／２）＋ｔの距離の位置６２を起点として、流路３の流路底面３ａの下端位置６１から（５／６）ｒ＋ｔの高さの位置６３までを終点とする範囲内に位置している。これについては、後で詳細に説明する。このように構成すれば、球体１の球面１ｂで弾性膜２を押圧して、球体１と共に弾性膜２が流路３内に入り込んだとき、弾性膜２で凹部３の流路を、流体漏れがなく、確実に閉塞することができる。

流路３の流路を流れる流体４の液体材料の具体例としては、０．５μＭのビオチン修飾ＤＮＡ、１０ｍｇ／ｍＬのストレプトアビジン修飾磁性ビーズ、数１０μＬの緩衝液（緩衝液は、５ｍＭのＴｒｉｓ−ＨＣｌ，ｐＨ７．５でかつ１ＭのＫＣｌとの混合液）、又は、数ｍＬの純水が例示できる。

弾性膜２は、流路３を上側から被覆するように張力によって張られて筐体３３に固定されている。弾性膜２は、流体が流れる流路３の深さ以下の厚さとしている。よって、弾性膜２は、上面が球体１の下部と常時接触し、球体１の押圧下降時には、弾性変形により流路３内に湾曲して入り込んで流路３の流路底面３ａなどに密着して流路３を密閉するように、筐体３３の第１の平面３ｃ上に配置されている。球体１の上端位置では、弾性膜２の上面と球体１の下端とが接触しているが、流路３は開いており、バルブ開の状態である。一方、球体１の下端位置では、球体１により弾性膜２が押圧されて流路３内に入り込み、凹部３を閉塞しており、バルブ閉の状態である。弾性膜２は、球体１の押圧下降が解除されると、弾性膜２自体の弾性力で元の位置まで戻ることにより、バルブ開の状態とすることができる。

球体１と、流路３を構成するバルブ筐体３３とは、それぞれ、例えば、樹脂又は金属などで形成されている。球体１とバルブ筐体３３との、より具体的な材料としては、ＰＤＭＳ（ジメチルポリシロキサン（dimethylpolysiloxane））、ＰＣ（ポリカーボネート（polycarbonate））、又は、アクリル樹脂（acrylic resin）などが例示できる。１つの実施例では、ポリカーボネートで球体１とバルブ筐体３３とを形成した。球体１とバルブ筐体３３との材料としては、タンパク阻害剤の影響、及び、接着の容易さから、ＰＤＭＳを採用することもできる。球体ステー１ａの材料は、弾性体であることが望ましく、ＰＤＭＳ、ＰＣ、アクリル樹脂などが例示できるが、球体１と同様の材料で形成されると製造上容易に形成できる場合がある。

弾性膜２は、例えば、シリコーン等のような収縮可能な素材で作成されている。なお、弾性膜２としては、シリコーンと成分が殆ど同じ、シリコーンの１種であるＰＤＭＳも使用可能である。弾性膜２の厚さの一例としては５０μｍであり、筐体３３の厚さの一例としては３０００μｍである。

ピストン５は、球体１の上端部と接触するように例えば球体１の直上に配置された形状記憶金属性の円柱部材であり、かつ制御部６による加熱又は冷却制御により、形状記憶金属製のピストン５を上下方向に伸縮させる。このピストン５が下方向に伸びることにより、球体１を下向きに押圧してバルブ閉状態とする。一方、ピストン５が上方向に縮むことにより、球体１の下向きの押圧を解除してバルブ開状態とする。このように、ピストン５の上下方向の伸縮により、バルブ開閉制御している。

流路３に流れる流体４は、流路である凹部３と弾性膜２との間に挟まれた空間の中で流れる。流体４は、図１ＢのＥからＦ方向、又はＦからＥ方向へ流路３に沿って流れる。弾性膜２は、流路３上に張力が加わって引っ張られた状態で流路３内に弛むことなく、筐体３３の第１の平面３ｃに固定されている。すなわち、弾性膜２は、流路３の第１の平面３ｃと密着設置されており、流路３に形成された流路底面３ａと、平坦な流路側面３ｂとにより流体４が流される空間を確保している。流路３に流される流体４は、流路３の周囲が弾性膜２で密閉されて、流体の入口と出口以外からは流体４は流れ出ない構造となっている。

球体１は、弾性膜２を介して流路３上に、１つ又は、複数設置される。球体１が複数設置される場合には、各球体１は、流路３に沿って直線上に間隔をあけて設置される。図３Ａは、別の変形例として、球体１が２つ、流路３に沿って直線上に設置された場合を表した平面図である。この図３Ａの別の変形例の場合、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、２つの球体１は、Ｙ字状の球体ステー１ａａの先端にそれぞれ接続され、Ｙ字状の球体ステー１ａａの基部が矩形枠状部１ｄに連結されている。Ψ字状の球体ステー１ａｃは一直線ではなく屈曲又は湾曲した構造となっている。さらに、図３Ｄに示すように、２つの球体１は、Ｙ字状の球体ステー１ａａとは９０度異なる方向から、別の屈曲した球体ステー１ａｂで矩形枠状部１ｄに連結するようにしてもよい。いずれの場合でも、前後左右上下に自由に動くことが出来る様に、Ｙ字状の球体ステー１ａａ及び別の球体ステー１ａｂは一直線ではなく屈曲又は湾曲した構造としている。

また、図４Ａは、さらに別の変形例として、球体１が３つ、流路３に沿って直線上に設置された場合を表した平面図である。この図４Ａのさらに別の変形例の場合、図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、３つの球体１は、Ψ字状の球体ステー１ａｃの先端にそれぞれ接続され、Ψ字状の球体ステー１ａｃの基部が矩形枠状部１ｄに連結されている。中央の球体１は、Ψ字状の球体ステー１ａｃとは９０度異なる方向から、別の直線状の球体ステー１ａｄが突出して、両端の球体１に接続されている。さらに、図４Ｄに示すように、両端の球体１は、別の直線状の球体ステー１ａｄと同軸方向沿いに、さらに別の直線状の球体ステー１ａｅで矩形枠状部１ｄに連結するようにしてもよい。いずれの場合でも、前後左右上下に自由に動くことが出来る様にしている。各球体ステーは、図示を簡略化するために直線状に示しているが、具体的な例としては、屈曲又は湾曲した形状とする。また、剛性が強くフレキシブルに動作出来にくい場合には、球体ステー１ａｅ又は球体ステー１ａｃのいずれか又はその一部を省略してもよい。

このような構成によれば、複数球体１を配置する事により、筐体凹部に位置ズレ無く配置する確率を向上させることができる。

図５は、第１実施形態のバルブ機構１００を装着したマイクロチップ９１を示す図である。マイクロチップ９１は、マイクロチップ９１の筐体３３Ｂ内に、上方に突出した円筒状部１ｅとして設けられた入口側開口Ｉと、入口側開口Ｉと連通した空間チャンバーＸと、上方に突出した円筒状部１ｅとして設けられた出口側開口Ｏと、出口側開口Ｏと連通したチャンバーＹと、チャンバーＸとチャンバーＹとを結ぶ直線状の流路３とを備えている。流路３の長手方向の中間部の上方には、第１実施形態のバルブ機構１００が設置されている。球体１を支持する一対の球体ステー１ａのそれぞれの基部は、矩形枠状部１ｄに連結されている。矩形枠状部１ｄの下端は、板状の球体ステープレート１ｃに固定されている。球体ステープレート１ｃは、筐体３３Ｂの上面及び筐体３３Ｂの上面上の弾性膜２を覆っている。球体ステープレート１ｃは、筐体３３Ｂと同じ材料で構成されていてもよい。

流体４をマイクロチップ９１に挿入し又はマイクロチップ９１から挿出するには、チャンバーＸの上部に円筒状部１ｅで突出して設けられた入口側開口Ｉから挿入し、チャンバーＹの上部に円筒状部１ｅで突出して設けられた出口側開口Ｏから挿出する構造となっている。流路３を流れる流体４は、入口側開口Ｉ又は出口側開口Ｏ以外からは、流体４が漏れ出ない構造となっている。マイクロチップ９１に装着されている第１実施形態にかかるバルブ機構１００のＡ−Ａ’線の断面構造と、流路３のＢ−Ｂ’線の断面構造と、チャンバーＸ又はチャンバーＹの部分のＣ−Ｃ’線の断面構造とを、それぞれ、図６、図７、図８に示す。

球体１は、バルブ機構１００上で、図９Ａに示すＣ又はＤ方向に動作させて作動したときに、前後左右上下に自由に動くことが出来る様に、一直線ではない屈曲又は湾曲した構造の球体ステー１ａで支えられている。この球体ステー１ａは、１つ又は複数個で構成されている。図６に示すように、球体ステー１ａは、弾性膜２上に設けられた球体ステープレート１ｃより支えられた構造となっている。球体ステー１ａは１つの球体１に対し、１つ又は複数個で構成されている。球体１は、図２では１つで表現されているが、図３、図４の様に２つ、又は３つと複数設けてもよい。その場合、流路の流れ方向と同一方向に配置され、それぞれの球体１は、独立して前後左右に動作可能な状態となっている。また、球体１の設置位置は、弾性膜２のすぐ直上にあり、流路の流れと垂直方向の幅方向のほぼ中心に配置されている。前記球体１である効果として、下記に示す効果２及び効果３で具体的に実験結果を示す。

流路３の流路底面３ａは、前述したように、球体１と一部が同じ曲線形状で形成され、またこの曲線は、すべてが球体１と同じ形状ではなく、上方に形成する途中より、球体１から離れる上方向に広がるような平面で形成された流路側面３ｂが形成されている。流路側面３ｂは、球体１の球面１ｂと同形状部分の流路底面３ａから、外側に広がるような平面で形成された流路側面３ｂは、流路底面３ａの境目では段差無く、滑らかに形成されている。流路側面３ｂのさらに広がった先には、第１の平面３ｃがあり、第１の平面３ｃは、弾性膜２の下面と常に接触した状態となっており、流路３に流れる流体４は浸入しない構造となっている。前記流路３の流路底面３ａと流路側面３ｂとのこのような特徴による効果として、下記に示す効果１に具体的に実験結果として示す。

バルブ機構１００を動作させるアクチュエータの具体的な一例として、図９Ａに示すように、球体１にＣ又はＤ方向に作用する円柱形状のピストン５が設置されている。ピストン５は、球体１の直上に配置され、Ｃ又はＤ方向に作用することにより、球体１は、同時にＣ又はＤ方向に移動が可能となる。図９Ｂは、ピストン５を、バルブ機構１００に設置したとき、上から見た図である。ピストン５は、円柱の中心と、球体１の中心とが同一な場所に設置されるのが理想であるが、ピストン５は底面が平らな円柱構造になっているため、球体１とピストン５との位置が中心でなく、ピストン５の底面内でズレが生じても、球体１をＣ方向に作用させることが可能である。

バルブ機構１００の開閉動作を行う場合、ピストン５がＣ方向に動作することにより、球体１はＣ方向（すなわち、図９Ａの下向き）に力が加わり、Ｃ方向に押される。

球体１は、ピストン５によりＣ方向に押されたことにより、弾性膜２が同時にＣ方向に押される。押された弾性膜２は、収縮性があるため、球体１によりＣ方向に伸びながら押される。球体１の設置場所は、流路３の流路幅方向の真ん中に設置されるのが理想であるが、そうでない場合でも、前記したように流路底面３ａ及び流路側面３ｂは傾斜が掛かっているとともに球体１が球体ステー１ａにより前後左右に移動可能であるため、ピストン５で押された球体１は、流路幅の真ん中に最終的に収まる構造に工夫されている。

球体１によりＣ方向に押された弾性膜２は、流路３の流路底面３ａ又は流路側面３ｂと接触する位置まで押され、弾性膜２の一部は球体１と流路３の流路底面３ａとで挟まれた状態で止まり、一部のみ弾性膜２に接触している。

弾性膜２は、流路側面３ｂは、斜め上方に平面で形成されていたため、弾性膜２が流路底面３ａで接触した部分から、第１の平面３ｃに張力を持って張られており、弾性膜２と、流路側面３ｂは接触した状態となる。第１の平面３ｃと、弾性膜２とは初めから接触した状態であったため、流路底面３ａと流路側面３ｂとで構成される流路３と、弾性膜２との間には空間が無くなり、バルブ機構１００の閉状態を作成できる。この状態を表した断面図が、先の図２である。

バルブ機構１００の開状態は、ピストン５がＤ方向に動作されたとき、球体１は、球体ステー１ａの自力によりＤ方向に動き、元の位置に戻る。また、弾性膜２は、球体１が元の位置に戻ることにより、弾性膜２は張力が働いていたため、再び流路３の接触状態から離れ、流路底面３ａ、流路側面３ｂ、からは離れ、流路３には空間が出来、第１の平面３ｃと同レベルに近い状態に戻る。この状態では、流体の通路が出来るため、バルブ機構１００の開状態に戻る。この状態を表した断面図が、図９Ａである。

前記したように、流路３の縦断面形状において、球体１の半径をｒ、弾性膜２の厚さをｔとするとき、流路３の流路底面３ａの下端位置６１からｒ(1-3^(1/2)/2)＋ｔの距離の位置６２を起点として、流路３の流路底面３ａの下端位置６１から（５/６）ｒ＋ｔの高さの位置６３までを終点とする範囲内に、流路底面３ａと平面３ｂとの変更点が位置するとする。その理由について、図１０Ａ及び図１０Ｂを参照しながら、以下に説明する。
まず、球体１と弾性膜２との接触範囲のうち、流路底面３ａの下端位置６１からの最大接触位置としては、球体１の最低点ｔから（５/６）ｒ＋ｔの高さの位置６３まで接する。

ここで、弾性体２により狭められた部分を除く流路３の半分の幅は、図１０Ａより、流路３の中心ＦＯから（ａ+ｂ)の長さである。ここで、ａは球体１の中心から弾性体２が接触している所までの幅であり、ｂは弾性体２により狭められた部分を除く流路３の幅から球体１と弾性体２の接触している幅を引いて２で割った値である。これをｒ(＝球体１の半径）及びθ（＝球体１と弾性体２の接触している最上面の点と中心ＦＯを結ぶ線と、水平面とで形成される角度）で定義すると、以下となる。

θ＝１８０／π×ａｒｃｓｉｎ（１／６） ・・・式（１）
であるため、
ｃｏｓθ＝ａ／ｒとなる。よって、
ａ＝ｒ×ｃｏｓθ
式（１）を代入すると、
ａ＝ｒ×ｃｏｓ（１８０／π×（ａｒｃｓｉｎ（１／６））・・・・式（２）
（≒ｒ×０．９８６０１３ ・・・式（２）'）
また、ｂとθの関係は、
ｔａｎθ＝ｂ／（（１／６）ｒ） ・・・式（３）
ｂ＝（１／６）ｒ×ｔａｎθ
式（１）を式（３）に代入すると、
ｂ＝（１／６）ｒ×ｔａｎ（１８０／π×ａｒｃｓｉｎ（１／６）） ・・・式（４）
（≒ｒ×０．０２８１７ ・・・式（４）' ）
更に、弾性膜２の最大化開口部の水平方向距離は、角度θが付いているので、
ｔ／ｃｏｓθとなる。

よって、流路の半分の幅は、
ａ＋ｂ＋ｔ／ｃｏｓθ
＝ｒ×ｃｏｓ（１８０／π×（ａｒｃｓｉｎ（１／６））＋（１／６）ｒ×ｔａｎ（１８０／π×ａｒｃｓｉｎ（１／６）） ｔ／ｃｏｓ（１８０／π×ａｒｃｓｉｎ（１／６））
（≒ｒ×１．０１４１８３＋１．０１４ｔ）
となる。

最小接触場所は、流路底面３ａの下端位置６１から、ｒ(1-3^(1/2)/2)+ｔの位置まで接する。ただし、r＝球体１の半径、t＝弾性膜２の厚さとする。

流路３の幅(弾性膜２の厚さで狭まった幅は含まない）は、図１０Ｂより中心から２ｒの幅である。

（弾性膜２の厚さを含まない）流路３の幅は、図１０Ｂより中心から２ｒ＋ｔ(3＾(1/2）)の幅である。ただし、弾性膜２の厚さｔは、ｔ≒(1/6)rとする。

＜効果１＞
前記したように、流路３の流路底面３ａの形状は、一部は球体１の球面１ｂと同形状であり、その他の流路側面３ｂは平面で形成されている。

このように、流路側面３ｂが平面であることにより、球体１によって押された弾性膜２に負荷が掛かることなく、流路３に流れる流体４を少ない力で堰き止めることが出来る。以下、これについて説明する。

たとえば、球体１と同形状の流路底面３ａと滑らかに接続されているが、流路側面３ｂが平面ではなく、図１１Ａの様に下に凸の湾曲した形状６ｂである場合、及び、図１１Ｂの様に上に凸の湾曲した形状６ｃである場合では、球体１によって押された弾性膜２に負荷が掛かるため、球体１を押す力としては、流体４を少ない力で堰き止めることが出来ない。

この流路側面の違いを確認した比較実験を実験１とする。

実験１では、第１実施形態の形状である流路側面３ｂが平面である場合の他に、流路側面が上に凸の湾曲した形状を持った流路側面６ｂ（図１１Ａ参照）である場合と、流路側面が下に凸の湾曲した形状を持った流路側面６ｂ（図１１Ｂ参照）である場合との３つの場合における比較実験を行い、その結果を、図１２示す。

実験１の方法として、流路３の断面積が同じとし、第１実施形態にかかる流路側面３ｂの形状が平面の流路と、上に凸の湾曲した形状を持った流路側面６ｂ（図１１Ａ参照）と、流路側面が下に凸の湾曲した形状を持った流路側面６ｃ（図１１Ｂ参照）との３種類の筐体を作成した。各３種類の流路３に、同じ形状の球体１を上下可能なバルブ機構として設置し、ピストン５を用い、バルブ機構を閉状態にしておく。この状態で、各流路３の入口側開口Ｉから水圧力を加えた状態にする。ピストン５に力を加え、流路３に流れる流体が無くなるまでのピストン５の力を測定し、そのピストンの力がこの流路における限界値とし、その値を比較した。この比較には、各流路３の入口側開口Ｉから水圧力を加える水圧の圧力は、０．００５（Ｍｐａ）、０．００７（Ｍｐａ）０．０１（Ｍｐａ）の３種類行っている。

各流路３の入口側開口Ｉにかかる力０．００５（ＭＰａ）の場合、上に凸の湾曲した形状を持った流路側面６ｂでは、１．３８（Ｎ）であり、また流路側面が下に凸の湾曲した形状を持った流路側面６ｃでは１．３２（Ｎ）であったのに対し、第１実施形態にかかる流路３ｂが平面の場合では、１．２９（Ｎ）と少ないピストン５の力でバルブ機構が閉状態にすることが出来た。

同様に、各流路３の入口側開口Ｉにかかる力を０．００７（ＭＰａ）の場合と、０．０１（ＭＰａ）との場合とで圧力を変え、同様の実験を行った。が、第１実施形態にかかる流路側面３ｂが平面の場合の流路が、ピストン５の力が最も小さい状態で流路を堰き止めることが出来る結果が得られた。流路側面３ｂが上方に広がるような平面で形成されることにより、弾性膜２に負荷が掛からない形状でバルブが堰き止められる工夫がされていたことが、この実験結果の図１２に示されている。

＜効果２＞
流路３の流路底面３ａは、球体１の球面１ｂと一部分が同じ形状で形作られるが、流路側面３ｂは、球体１と同じ形状ではなく、真直ぐに広がるような平面で形成されており、球体１と、弾性膜２と、流路底面３ａとが連続して接している部分５１（図２の参照符号５１を参照）と、弾性膜２と流路側面３ｂとが接していて、球体１が接していない部分５２（図２の参照符号５２を参照）を有するように構成している。

このような構成のバルブ機構１００では、球体１の球面１ｂで押されて弾性膜２が接触している流路底面３ａと、球体１の球面１ｂでは押されていないが弾性膜２が接触している第１の平面３ｃとの間で、弾性膜２が引っ張られて流路側面３ｂと接触することにより流路３を塞ぎ、バルブ機構１００の閉状態を作り出す。

このように、弾性膜２と流路側面３ｂとが接していて、球体１が接していない部分５２を有する効果を、弾性膜２と流路側面３ｂと球体１とが連続して接している部分のみを有するバルブ機構と比較した実験結果を、図１７及び図１８に示す。

効果２での比較実験では、弾性膜２と流路底面３ａと流路側面３ｂとは全て接触する部分のみを持つような構成の、球形状ではなく流路幅方向沿いに長いラインバルブ７ａ，７ｂ、７ｃを図１３、図１６Ａ、図１６Ｂに示すように形成し、弾性膜２と流路側面３ｂとが接していて、球体１が接していない部分５２を有する第１実施形態にかかるバルブ機構１００の球体１との比較実験を行った。ラインバルブ７ａ，７ｂ、７ｃを使用したときのバルブ機構の断面図を図１３に示し、上部から見た状態を図１４に示す。なお、図１３及び図１４は、代表的な例としてラインバルブ７ａについて図示しているが、ラインバルブ自体の縦断面形状を除いて、ラインバルブ７ｂ、７ｃも同様である。

ラインバルブ７ａ，７ｂ、７ｃが弾性膜２とそれぞれ接触する形状は、流路３の流路底面３ａと、流路側面３ｂと、第１の平面３ｃの一部と同じ形状で作成した。使用する流路は、効果１で使用した、流路側面３ｂが平面と、流路側面が上に凸の湾曲した形状を持った流路側面６ｂと、流路側面が下に凸の湾曲した形状を持った流路側面６ｃとにそれぞれ合わせるため、それぞれ、流路側面３ｂが平面に対応した平面部７ｄを有するラインバルブ７ａ（図１５参照）と、流路側面が上に凸の湾曲した形状に対応した湾曲凹部７ｅを有するラインバルブ７ｂ（図１６Ａ参照）と、流路側面が下に凸の湾曲した形状に対応した湾曲凸部７ｆを有するラインバルブ７ｃ（図１６Ｂ参照）とをそれぞれ作成して比較した。

各ラインバルブ７ａ，７ｂ、７ｃと球体１とは、それぞれ，ピストン５で下向きのＣ方向に押され、押された弾性膜２は、図１５の様に、流路３が接触するまでＣ方向に下げられ、バルブ機構の閉状態を作り出す。この状態で、効果１のように、各流路３の入口側開口Ｉから水圧力を加えた状態にする。ピストン５に力を加え、流路３に流れる流体が無くなるまでのピストン５の力を測定し、そのピストン５の力がこの流路における限界値とした。この比較には、各流路３の入口側開口Ｉから水圧力を加える水圧の圧力は、０．００５（Ｍｐａ）、０．０１（Ｍｐａ）０．０１２（Ｍｐａ）の３種類行っている。

球体１で押さえたときは、バルブ機構１００は、流路形状が平面である状態の流路３において、流入される水圧が０．００５（Ｍｐａ）のとき、１．２９（Ｎ）で流入した流体を制止できたのに対し、ラインバルブ７ａでは、ピストン５で２．１３（Ｎ）の力が、流体を制止するまで必要であった。この結果より、弾性膜２を部分的に押さえる第１実施形態にかかるバルブ機構１００の方が、少ない力で流体を抑制できる結果が得られた。

同様に、上に凸の湾曲した形状を持った流路側面６ｂとそれに則したラインバルブ７ｂ、及び、流路側面が下に凸の湾曲した形状を持った流路側面６ｃとそれに則したラインバルブ７ｃでの比較と、それぞれのバルブ形状で、流路を流れる水圧０．００１、０．０１２（Ｍｐａ）でも確認したところでも、全てにおいて球体１でバルブ機構を持たせたほうが、少ない力で、流入する水圧を抑えられる結果が得られた。

第１実施形態にかかるバルブ機構１００では、流路側面を平面として、球体によって押された弾性膜２に負荷が掛からないようにして、部分的に弾性膜２を押さえる機構の方が、弾性膜２に負荷が掛からず、Ｃ方向に力が効率良く加わり、流路３に流れる流体４を制御できることが確認された。

＜効果３＞
弾性膜２を押さえる球体１は、１つに限らず、複数個あってもよい。球体１が複数個ある場合、バルブ機構の効果がより効率的に高まることを確認する。

実験３では、球体１の個数の違いで、バルブ機構の能力が異なることを確認した実験結果を示す。

第１実施形態にかかる構造の、流路側面３ｂの形状が平面の流路３に、球体１が１つ、２つ、３つ備えている３種類の形態のバルブ機構の効果を確認した。３種類のバルブ機構の形態は、それぞれ、図２、図３、図４で示す。複数個の場合、各球体１はそれぞれ独立して上下左右前後に動くことが可能となるように一対の球体ステー１ａで両側から支持する構造としている。球体１を押さえるピストン５は、ピストン５の一つの円柱の円形底面で、１つ、２つ、３つの全ての球体１を押さえられるように円柱の大きさを異ならせている。

バルブ機構の確認方法は、効果１及び効果２と同様に、ピストン５でＣ方向に押され、押された弾性膜２は、図９Ａの様に、流路３が弾性膜２と接触するまでＣ方向に下げられ、バルブ機構の閉状態を作り出す。この状態で、効果１のように、各流路３の入口側開口Ｉから水圧力を加えた状態にする。ピストン５に力を加え、流路３に流れる流体が無くなるまでのピストン５の力を測定し、そのピストンの力がこの流路における限界値とした。また、各流路３の入口側開口Ｉから水圧力を加える水圧の圧力は、０．００５（Ｍｐａ）、０．００７（Ｍｐａ）０．０１（Ｍｐａ）の３種類行い、各流路での実験結果を、図１９及び図２０に示す。

球体１が１つの場合、流路３に０．００５（Ｍｐａ）で流入する水圧を、ピストン５で１０．９０（Ｎ）でバルブ機構の閉効果を出せるのに対し、球体１が２つの場合は、ピストン５は１．３８（Ｎ）の力でバルブ機構の閉効果を出せ、更に球体１が３つの場合は、ピストン５は０．２１（Ｎ）の力でバルブ機構の閉効果を出せる事を確認できた。すなわち、球体１の設置数を多くすればするほど、少ない力で、流入する水圧を抑えられる結果が得られる事が確認できた。

前記実施形態によれば、バルブ開閉用の制御力と横方向の流路３にかかる流体の力とが直角に交わる場合に、流路側面３ｂが平面であることにより、球体１によって押された弾性膜２部に負荷が掛かることなく、小さな力でバルブ開閉機能を駆動することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、カム構造で球体１を押し込んでも良いし、液体を使用する容器に限定するのではなく、気体を供給及び停止するためのバルブなどにも応用できる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明にかかるマイクロバルブは、球体によって押された弾性体部に負荷が掛かることなく、小さな力でバルブ開閉機能を駆動することができて、マイクロデバイス及びマイクロチップに含まれるマイクロバルブに有用であると共に、より一般的に流体を用いるデバイスにも有用である。

１ 球体
１ａ 球体ステー
１ａａ Ｙ字状の球体ステー
１ａｂ 別の球体ステー
１ｂ 球面
１ｃ 球体ステープレート
１ｄ 球体ステー支持部
１ｅ 円筒状部
２ 弾性膜
２ａ 弾性膜の上面
２ｂ 弾性膜の下面の凹部の側面と接する部分に対向する上面の部分
３ 流路
３ａ 流路底面
３ｂ 流路側面
３ｃ 第１の平面
４ 流体
５ ピストン
６ ピストン制御部
６ｂ 上に凸の湾曲した形状を持った流路側面
６ｃ 下に凸の湾曲した形状を持った流路側面
７ａ，７ｂ，７ｃ ラインバルブ
７ｄ 平面部
７ｅ 湾曲凹部
７ｆ 湾曲凸部
３３ 筐体、
５１ 球体と弾性膜と流路底面とが連続して接している部分
５２ 弾性膜と流路側面とが接していて、球体が接していない部分
１００ バルブ機構
９１ マイクロチップ
Ｉ 入口側開口
Ｏ 出口側開口
Ｘ チャンバー
Ｙ チャンバー

Claims (3)

1. マイクロ流路を開閉するマイクロバルブであって、
   少なくとも下部に球面を有する球体と、
   前記球体と接続され、かつ前記球体が上下運動を可能に支持する支持部と、
   前記球体の上部と接触するように配置され、かつ伸縮することにより前記球体を上下運動させるアクチュエータと、
   前記球体の下部に位置する前記マイクロ流路である凹部を有する第１の平面を備えるバルブ筐体と、
   前記球体の前記下部と接触し、かつ前記凹部を覆うように、前記第１の平面上に配置される弾性膜とを具備し、
   前記凹部は、湾曲底面と、側面とで規定されており、
   前記凹部の前記湾曲底面は、前記球体の前記球面と同じ曲率半径を有し、
   前記凹部の前記側面は、平面であり、
   前記凹部の縦断面形状において、前記湾曲底面と前記平面との変更点は、前記球体の半径をｒとするとき、前記凹部の前記湾曲底面の下端位置からｒ(1-3^(1/2)/2)の距離の位置を起点として、前記凹部の前記湾曲底面の前記下端位置から（５/６）ｒの高さの位置までを終点とする範囲内に位置する、マイクロバルブ。
2. 前記球体は、複数個で構成される、請求項１に記載のマイクロバルブ。
3. 前記球体は、３個以上の複数で構成されるマイクロバルブが、前記マイクロ流路に沿って１列に配置されている、請求項１又は２に記載のマイクロバルブ。

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