JP3778251B2

JP3778251B2 - 微小バルブ

Info

Publication number: JP3778251B2
Application number: JP31498099A
Authority: JP
Inventors: 新明王; 明洋賈; 浩国桧山
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-11-05
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2019-11-05
Also published as: JP2001132861A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小バルブに係り、特にμｍ又はｎｍ程度の微小サイズの流路に配置され、該流路を開放又は閉塞し、或いは流路中に流れる流体の流量を調整する微小バルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロマシンでは、上記μｍ又はｎｍオーダの微細流路に液体を流通する場合があり、このような流路に流体を流通させ、又は遮断し、或いはその流量を調整するバルブが必要となっている。特に、薬品試験、血液分析、ＤＮＡ解析用マルチチャンネル、超小型燃料電池用ガス流路、超小型ガスクロマトグラフィーのガス流路等においては、極微細な流路中に流れる流体を高精度で制御可能な極微小のバルブが必要とされている。
【０００３】
ところで、電磁力を用いたバルブとして、従来広く電磁弁が用いられている。しかしながら、電磁弁は弁体を電磁力で開閉するため、内部構造が複雑となり、μｍ又はｎｍオーダの構造の流路には不適合である。一方で、圧電素子や圧縮空気駆動のアクチュエータを用いたバルブがあるが、流路の微細化に伴って、伸縮距離の範囲が極めて短くなって、その調整が困難であるという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、マイクロマシン等の微細流路用の流量制御素子として、構造が簡単で且つ制御が容易であり、更に交換修理も可能な微小バルブを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、微細流路と、該流路内に配置され該流路を開放又は閉塞する微小弁体とからなり、該微小弁体は、電気分極性を有する強磁性超微粒子及び反磁性超微粒子とを分散させたコロイド溶液を、微小カプセルに内包したものであることを特徴とする微小バルブである。
【０００６】
これにより、弁体を構成する微小カプセル内に強磁性超微粒子と反磁性超微粒子とが分散されたコロイド溶液を内包しているので、磁場が印加されると強磁性超微粒子が磁極側に吸い寄せられ、反磁性超微粒子がその反対側に吸い寄せられ、微小弁体が球形状から楕円形状に変形する。そして、強磁性超微粒子と反磁性超微粒子とはその表面に例えば金をコーティングしておくことにより、分極特性が得られ、電場の印加によって溶液の見掛けの粘度又はずり応力が増強され、微小弁体の形状をその状態で固形化することができる。
【０００７】
請求項５に記載の発明は、微細流路と、該流路中に設けられたバルブ室と、該バルブ室内に配置された電気分極性を有する強磁性超微粒子と反磁性超微粒子とを分散させたコロイド溶液を内包した微小カプセルからなる微小弁体と、該微小弁体の近傍に配置された磁場を調整可能な磁極と電場を調整可能な電極とを備え、前記磁場及び電場の調整により前記微小弁体を前記バルブ室に設けられた凹状部内に収納して前記流路を開放し、又前記微小弁体を前記流路中に拡大して前記流路を閉塞することを特徴とする微小バルブである。
【０００８】
これにより、微細流路に凹部を備えたバルブ室を設け、微小弁体に磁場を与えて流路に沿って平行に長楕円形状に変形させ、電場を与えその形状のままで固形化することで、微小弁体を凹部内に収容し、バルブを開状態とすることができる。そして、微小弁体に与える磁場を調整して略球形とし、電場をかけて固形化することで微細流路の流量の調整を行える。更に、微小弁体に流路に対して垂直方向の磁場を与えることで、流路を閉塞するように垂直方向に楕円形状に変形させ、電場を付与することで固形化して、バルブを閉状態とすることができる。尚、超微粒子は１０ｎｍ程度の極微細な微粒子であるので、係る微粒子を内包する微小カプセルにより、μｍ又はｎｍオーダの微細流路の開閉を行う開閉弁又は流量調整弁を提供することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態の微小弁体の構造を示す。例えば、鉄（Ｆｅ）等からなる強磁性超微粒子１と、例えばビスマス（Ｂｉ）等からなる反磁性超微粒子２とを界面活性剤を介して、例えばシリコンオイル等からなる絶縁性の液体３中に安定に分散させて人工コロイド溶液を作成する。そして、超微粒子１及び２の表面には予め金をコーティングして、電気分極性を持たせる。ここで、超微粒子はその直径が１〜１００ｎｍ程度、好ましくは１０ｎｍ程度の微細粒子であり、例えば金属を真空中で加熱して蒸発させ、その蒸気をガスを当てて凝縮することで、上述したサイズの微細な金属粒子を得ることができる。又、このような超微粒子は金属錯体の熱分解等により形成することもできる。
【００１１】
そして、このような超微粒子１，２を分散させた人工コロイド溶液を内包物として、微小カプセル４内に内包する。微小カプセル４の膜は、例えばシリコンゴム、アモルファスフッ素樹脂等からなり、耐摩耗性を有し、力が与えられると簡単に変形できるように作られている。この球形状の微小弁体のサイズは、μｍ又はｎｍオーダであり、その程度の微細サイズの内径を有する流路を閉塞するのに充分な大きさを有している。
【００１２】
図２は、磁場の印加によって微小カプセルの形状の変化を示す。磁極５を微小カプセル４の近傍に配置し、磁場を印加すると、微小カプセル４内の強磁性超微粒子１は吸引力を受け磁極５に接近する。一方で、反磁性超微粒子２は反発力を受け、磁極５から離れた方向に移動する。カプセル４は力を受けて容易に変形可能なものであるので、その結果、微小弁体は磁力線の方向に沿って長楕円形状に変形することになる。その後、電極１３を用いて電場を印加することで、カプセル４内に内包した超微粒子１，２が分極性を有するので、カプセル内の流体の見掛け上の粘度又はずり応力が増強され、変形した長楕円形状を固形化することができる。尚、電場の印加による微小弁体の固形化は、図１に示すような球形状の状態においても同様に適用できることは勿論である。
【００１３】
図３は、カプセルに内包する液体のずり応力に及ぼす磁場及び電場の影響を示すものである。図中の破線は磁場によるずり応力の変化を示し、磁場の増加と共にずり応力は増大する。そして、実線は電場の印加によるずり応力の変化を示し、電場の大きさが大きいほどずり応力が増大することを示している。従って、電場と磁場の相乗効果で、ずり応力を格段に大きくすることができ、これにより微小カプセルが変形可能な状態から固形化して流動状態が殆どなくなるように変化させることができる。微小カプセルのこのような性質に基づいて、磁場及び電場の調整を行うことで、微小カプセルの形状、向き、固形化の程度を任意に制御することができる。
【００１４】
図４乃至図６は、微小弁体の変形によるバルブの開閉状態を示す。図４はバルブの全開状態を示すもので、微小カプセル４からなる微小弁体１０が長楕円形状となり、流路を開いた状態を示している。即ち、微細流路８には、バルブ室９が配置され、長楕円形場に変形した微小弁体１０を収納する凹部９ａが配置されている。そして、凹部９ａの近傍には、微小弁体１０を球形状化する又は楕円形状化する磁極１１，１２が備えられている。ここで磁極１１，１２は、それぞれ直交する方向の磁場を形成する。そして、バルブ室９の近傍には電極１３が備えられ、これにより微小弁体１０に電場を及ぼすことにより、微小弁体１０の固形化の制御を行う。従って、図４に示す状態は、微小弁体１０が主として磁極１１による磁場を受けて長楕円形化し、凹部９ａ内に収容され、且つ電極１３による電場の影響を受け、固形化した状態を示す。これにより、流路８中の流体７はバルブが開状態であるので自由に流通する。そして、微小弁体１０は磁極１１の磁気的な吸引力を受け、バルブ室の凹部９ａ内に係止され、下流側に流出することはない。
【００１５】
図５は、微小弁体１０が半分程度流路を塞ぎ、流量を調整する段階を示している。この場合には磁極１１及び１２により互いに直交する方向の磁場を微小弁体１０に及ぼす。これにより、微小弁体１０は図示するように変形する。そしてこの状態で電極１３より電場を印加することによりカプセル４に内包する液体の見掛けの粘度及びずり応力の変化によって固形化され、流路８中の流体７の圧力を受けるにも拘わらず、その形状をそのまま維持することで、流路８中の流体流量の調整を行うことができる。
【００１６】
図６は、微小弁体１０が流路８を閉塞した、バルブの全閉状態を示す。この場合には、図５に示す状態から先ず電場を消滅させて微小弁体１０を変形可能な状態とする。そして、次に磁極１１による水平方向の磁場を消滅させ、磁極１２による垂直方向の磁場を増強する。すると、微小弁体１０は垂直方向に楕円形化し、バルブ室９の上部に設けられた凹部９ｂに嵌合して流路８を閉塞する。そして、この状態で電極１３から電場を印加することで、微小カプセル４内のずり応力を増大させ、微小弁体１０を固形化する。従って、微小弁体１０は流路８を完全に閉塞することになり、バルブを全閉した状態となる。
【００１７】
図７は、磁極の移動により微小弁体を移動することを示している。流路８は、分岐路８Ａと８Ｂとを備えたマルチチャンネルのマイクロマシンの一部である。このようなマルチチャンネルにバルブを使うに際して、微小弁体１０を配管８Ａのバルブ室９Ａから配管８Ｂのバルブ室９Ｂに移動することができる。この移動は、微小弁体１０に係る電場をなくして微小カプセル４内を流動化した状態とし（変形可能な状態とし）、例えば磁極（図示しない）を微小弁体１０に接近させて吸引しつつ、その磁極をバルブ室９Ａからバルブ室９Ｂまで移動することにより、微小弁体１０を磁極に従って移動することができる。これにより交換或いは修理等の際に、磁極の移動によって微小弁体を取り出したり又は入れ替えたりすることができる。
【００１８】
尚、上述の実施の形態においては、流路に凹部を設けたバルブ室内に変形可能な微小カプセルからなる微小弁体を配置する例について説明したが、バルブ室は図示する形状以外にも各種の形状が考えられる。又、カプセルに内包する超微粒子に分極特性を与えるために、金をコーティングする例について説明したが、その他の方法で分極特性を与えるようにしてもよい。このように本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能である。
【００１９】
【発明の効果】
上述した本発明によれば、磁場及び電場の印加によって変形可能な微細カプセルを用いることによって、微細流路を閉塞し、又開放し、又微細流路内の流体（気体、液体）の流量を任意に調整できる。又、磁極の移動によって微小弁体の位置移動が可能であり、これにより交換及び修理等が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の微小弁体の構成を示す図である。
【図２】磁場及び電場の印加による微小弁体の変形を示す図である。
【図３】磁場及び電場の相乗効果によるずり応力の変化を示す図である。
【図４】バルブの開状態を示す図である。
【図５】バルブの流量調整状態を示す図である。
【図６】バルブの全閉状態を示す図である。
【図７】微小弁体の位置の移動を示す図である。
【符号の説明】
１強磁性超微粒子
２反磁性超微粒子
３溶液
４微小カプセル
５，１１，１２磁極
８微細流路
９バルブ室
１０微小弁体
１３電極

Claims

微細流路と、該流路内に配置され該流路を開放又は閉塞する微小弁体とからなり、該微小弁体は、電気分極性を有する強磁性超微粒子及び反磁性超微粒子とを分散させたコロイド溶液を、微小カプセルに内包したものであることを特徴とする微小バルブ。
前記微小カプセルは、磁場の印加により前記強磁性超微粒子が磁極側に吸い寄せられ、前記反磁性超微粒子がその反対側に吸い寄せられて、変形することを特徴とする請求項１に記載の微小バルブ。
前記微小弁体は、印加する磁場の方向及び大きさの変化によって、その形状又は向きが制御されることを特徴とする請求項１に記載の微小バルブ。
前記微小カプセルは、電場の印加により内部の溶液の見掛け粘度又はずり応力を増強させ、該カプセルの形状を固形化することを特徴とする請求項１に記載の微小バルブ。
微細流路と、該流路中に設けられたバルブ室と、該バルブ室内に配置された電気分極性を有する強磁性超微粒子と反磁性超微粒子とを分散させたコロイド溶液を内包した微小カプセルからなる微小弁体と、該微小弁体の近傍に配置された磁場を調整可能な磁極と電場を調整可能な電極とを備え、前記磁場及び電場の調整により前記微小弁体を前記バルブ室に設けられた凹状部内に収納して前記流路を開放し、又前記微小弁体を前記流路中に拡大して前記流路を閉塞することを特徴とする微小バルブ。