JP4246088B2 - 開閉弁 - Google Patents

Description

本発明は、流体を供給又は遮断する開閉弁に関する。さらに詳細には、小型化を図ることができる開閉弁に関するものである。

従来から、開閉弁は流体の供給制御を行うために各種装置に使用されている。例えば、生化学や免疫分野においては、マトリクス状に複数のウェル（典型的には８×１２＝９６ウェル）が形成されたバイオチッププレートに対して一定微量の液体を供給する供給装置に開閉弁が使用されている（非特許文献１）。

この供給装置では、複数のエアオペレート式の定量吐出バルブ（開閉弁）を一列に並べ、各吐出バルブの吐出口にチューブを接続し、そのチューブの先端をバイオチッププレートのウェル上に配置している。そして、各吐出バルブに対してそれぞれの専用コントローラが設けられており、各専用コントローラにより各吐出バルブの動作を制御し、各吐出バルブから吐出される液体を、各チューブを介して一列分のウェルに対して液体の供給を行うようになっている。

武蔵エンジニアリング（株）カタログ「液体精密定量吐出用パーツアクセサリ＆バルブ／タンクカタログＶＯＬ２」 第１９，２３頁

しかしながら、上記した供給装置では、エアー配管などが非常に多く存在するため、システムの構成が非常に複雑になるという問題があった。また、上記した供給装置では、各吐出バルブから吐出された液体がチューブを介してウェルに供給されるため、液体の供給精度が悪く、また液切れ性も悪いという問題もあった。

ここで、エアーオペレート式の定量吐出バルブの代わりに、電磁弁を使用することが考えられる。電磁弁を使用することにより、エアー配管が不要になるからである。ところが、現状では、バイオチッププレート上に形成されているウェルに対応して、多連構成にすることができる小型の電磁弁が存在しない。ここで、現在使用される電磁弁を単純に小型化することも考えられるが、使用する液体の圧力を小さくしなければならないという問題があった。さもないと、弁開閉を行うことができなくなるからである。このため、現状では、電磁弁を使用しても、電磁弁から吐出された液体はチューブを介してウェルに供給する必要があり、液体の供給精度が悪く、また液切れ性も悪いという問題を解消することができていない。このようなことから、バイオチッププレートに対して微少量の液体を直接滴下することができる開閉弁が生化学や免疫分野では求められている。

また、上記した生化学や免疫分野のみならず、各種産業分野においても開閉弁（例えば、半導体製造装置に使用される薬液弁など）に対して小型化が要求されている。各種装置で省スペース化が進んでいるからである。

そこで、本発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、小型化を図ることができる開閉弁を提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る開閉弁は、入口ポートと、出口ポートと、前記入口ポートと前記出口ポートとを連通する連通流路とを備え、前記入口ポートと前記出口ポートとを連通・遮断することにより流体の供給制御を行う開閉弁において、前記連通流路内で、前記入口ポート側と前記出口ポート側にそれぞれ設けられたフィルタ部材と、前記両フィルタ部材で囲まれる連通流路内に移動可能に配設された複数の磁性粒子と、前記複数の磁性粒子が磁力により吸着されて前記フィルタ部材から離れるように、前記フィルタ部材から離間した位置に設けられた第１の電磁石（第１の移動手段）と、前記複数の磁性粒子が磁力により吸着されて前記両フィルタ部材に分かれて密着することにより、前記流体の流れを二箇所で遮断するように、前記フィルタ部材の近傍に設けられた第２の電磁石（第２の移動手段）と、を備え、前記磁性粒子が前記フィルタ部材に密着したときに、該磁性粒子が前記流体の流れを遮断し、前記磁性粒子が前記フィルタ部材から離れたときに、該磁性粒子が前記流体の流れを許容することを特徴とするものである。

この開閉弁では、フィルタ部材により、複数の磁性粒子が連通流路内に封じ込められている。そして、この開閉弁に流体を供給すると、その流体圧によって複数の磁性粒子がフィルタ部材に密着する。このとき、フィルタ部材は、いわゆる目詰まり状態となる。その結果、流体はフィルタ部材を通過することができなくなる。これにより、連通流路と出口ポートとが遮断される。このため、入口ポートから供給された流体は、出口ポートから流れ出ない。

そして、第１の移動手段により、複数の磁性粒子をフィルタ部材から離れるように移動させると、連通流路と出口ポートとが連通する。これにより、入口ポートから供給された流体が出口ポートから流れ出る。その後、複数の磁性粒子に対する第１の移動手段による磁力の作用をなくすと、複数の磁性粒子は流体圧により再びフィルタ部材に密着する。これにより、連通流路と出口ポートとが遮断され、入口ポートから供給された流体が出口ポートから流れ出なくなる。かくして、この開閉弁による流体供給の制御が行われる。

そして、この開閉弁において流路外に備わるのは、第１の移動手段のみである。この第１の移動手段は、磁性粒子を移動させるものである。そして、磁性粒子は非常に小さい（１ｍｍ以下）ため、小さな磁力によって移動させることができる。このため、第１の移動手段も非常に小さくすることができる。したがって、開閉弁を小型化することができる。

本発明に係る開閉弁においては、前記複数の磁性粒子が前記フィルタ部材に密着するように、前記複数の磁性粒子を磁力により移動させる第２の移動手段をさらに有することが望ましい。

流体圧だけにより複数の磁性粒子をフィルタ部材に密着させることはできるが、流体圧が変動した場合などは、磁性粒子のフィルタ部材への密着度が低下するおそれがある。その結果、弁閉動作時に流体の漏れが発生することも考えられる。そこで、この開閉弁では、複数の磁性粒子をフィルタ部材に対し、磁力で強制的に密着させるために第２の移動手段を設けている。これにより、この開閉弁では、弁閉動作時には第２の移動手段により、複数の磁性粒子がフィルタ部材に対して常に一定の力（磁力）で密着させることができる。その結果、弁閉動作時における流体の漏れを確実に防止、つまり流体の供給を確実に遮断することができる。

また、本発明に係る開閉弁においては、前記第１の移動手段または前記第２の移動手段は、電磁石であることが望ましい。これにより、磁性粒子の移動を高精度に制御することができ、高精度な流体供給を行うことができるからである。

なお、本発明に係る開閉弁における小型化を達成するためには、第１の移動手段および第２の移動手段の小型化が必要である。このため、第１の移動手段および第２の移動手段、つまり電磁石（コイル）の小型化が必要であるが、これはマイクロマシニング加工技術を用いることにより実現することできる。

さらに、本発明に係る開閉弁においては、前記磁性粒子は、耐薬品性を有する樹脂によって被覆されていることが望ましい。こうすることにより、腐食性のある薬液などの供給制御も行える。また、磁性粒子を樹脂で被覆することにより弾性を備えるので、弁閉動作時に磁性粒子同士をより密着させることができる。つまり、弁閉時におけるシール性能を向上させることができる。これにより、弁閉動作時における流体の漏れを確実に防止、つまり流体の供給を確実に遮断することができる。

本発明に係る開閉弁によれば、入口ポートと出口ポートを連通する連通流路内にフィルタ部材により封止された複数の磁性粒子を、流体圧および第１の移動手段によって、フィルタ部材に密着・離間させることにより流体の供給制御を行う。この磁性粒子は非常に小さい（１ｍｍ以下）ため、小さな磁力によって移動させることができる。このため、第１の移動手段も非常に小さくすることができる。そして、本発明に係る開閉弁において流路外に備わるのは、第１の移動手段のみであるから、非常に小型化を図ることができる。

以下、本発明の開閉弁を具体化した最も好適な実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
まず、第１の実施の形態について説明する。そこで、第１の実施の形態に係る開閉弁の概略構成を図１に示す。図１は、第１の実施の形態に係る開閉弁の概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る開閉弁１０には、下部ボディ１１と、上部ボディ１２と、フィルタ２０とが備わっている。フィルタ２０は、下部ボディ１１と上部ボディ１２との間に配置され、その両者に接合（超音波溶接）されている。そして、この開閉弁１０は、幅（図１における左右方向の大きさ）が約１０ｍｍ、高さ（図１における上下方向の大きさ）が約２０ｍｍであり、非常に小型の開閉弁である。

ここで、下部ボディ１１には、入口ポート１３と出口ポート１４とが形成されている。また、下部ボディ１１には、入口ポート１３と出口ポートとの間に電磁石１５が設けられている。電磁石１５は、後述する磁性粒子１８をフィルタ２０に密着させるためのものである。

一方、上部ボディ１２には、コ字形状の連通流路１６が形成されている。この連通流路１６は、下部ボディ１１に形成されている入口ポート１３と出口ポート１４とを連通させるものである。そして、この連通流路１６には、複数の磁性粒子１８が内蔵されている。つまり、これらの磁性粒子１８は開閉弁１０から流出しないように、フィルタ２０によって連通流路１６内に封止されている。そして、各磁性粒子１８は、ポリスチレンによって被覆されている。これにより、磁性粒子１８が腐食しないようになっている。なお、本実施の形態では、磁性粒子１８として直径が約０．２μｍの磁性粒子を使用している。また、上部ボディ１２には、連通流路１６の上方に電磁石１７が設けられている。この電磁石１７は、磁性粒子１８をフィルタ２０から引き離す（密着させない）ためのものである。

また、フィルタ２０は、上記したように、磁性粒子１８を上部ボディ１２に形成された連通流路１６内に封止するためのものである。このフィルタ２０は、厚さが約１００μｍ、ポア径が約０．１μｍである。これにより、開閉弁１０に供給された流体はフィルタ２０を通過するが、連通流路１６内の磁性粒子１８はフィルタ２０を通過することができないようになっている。

そして、この開閉弁１０では、入口ポート１３、連通流路１６、および出口ポート１４で構成される流路外に備わるのは、電磁石１５，１７のみである。ここで、電磁石１５，１７は、磁性粒子１８をフィルタ２０に対して離間・密着させるために、磁性粒子１８を移動させるものである。そして、磁性粒子１８は非常に小さい（直径０．２μｍ程度）ため、小さな磁力によって移動させることができる。このため、電磁石１５，１７を非常に小さくすることができる。これにより、開閉弁１０は小型化を図ることができるのである。なお、小型の電磁石１５，１７を製作するには、マイクロマシニング加工技術を利用すればよい。

続いて、上記した構成を有する開閉弁１０の動作について、図２および図３を参照しながら説明する。図２は、第１の実施の形態に係る開閉弁の弁開時における状態を説明するための説明図である。図３は、第１の実施の形態に係る開閉弁の弁閉時における状態を説明するための説明図である。

まず、弁開動作時について説明する。弁開動作時には、電磁石１７が励磁される。そうすると、電磁石１７の作用により、連通流路１６内に存在する複数の磁性粒子１８が電磁石１７に引き寄せられる。このため、図２に示すように、磁性粒子１８は連通流路１６の上面に移動する。これにより、入口ポート１３と出口ポート１４とが連通流路１６を介して連通した状態となる。したがって、入口ポート１３から供給された流体は、フィルタ２０を通過し連通流路１６へと流れ、その後、再びフィルタ２０を通過して出口ポート１４へと流れる。

次に、弁閉動作時には、電磁石１７が消磁されるとともに、電磁石１５が励磁される。そうすると、電磁石１５の作用により、連通流路１６内に存在する複数の磁性粒子１８が電磁石１５に引き寄せられる。このため、図３に示すように、磁性粒子１８はフィルタ２０の方へと移動してフィルタ２０に密着する。このとき、磁性粒子１８は、入口ポート１３側と出口ポート側とに分かれて、それぞれフィルタ２０に密着する。このとき、フィルタ２０は、いわゆる目詰まり状態となる。これにより、入口ポート１３と連通流路１６、および出口ポート１４と連通流路１６とがそれぞれ磁性粒子１８によって遮断された状態となる。したがって、入口ポート１３から供給された流体は、出口ポート１４へ流れなくなる。

そして、弁閉動作時には、電磁石１５により常に一定の力（磁力）で、磁性粒子１８をフィルタ２０に密着させている。また、磁性粒子１８による流路遮断が二箇所で行われている。さらに、磁性粒子１８はポリスチレンにより被覆されているために弾性を有するので、磁性粒子１８がフィルタ２０に密着した際のシール性能が高い。これらのことから、弁閉動作時における開閉弁１０からの流体の漏れを確実に防止することができる。つまり、流体の供給を確実に遮断することができる。

その後、電磁石１５を消磁させるとともに、電磁石１７を励磁させると、図２に示す状態になり、流体の供給が再開される。このように、開閉弁１０は、電磁石１５，１７を励磁または消磁させることにより、流体の供給を制御することができる。そして、磁石１５，１７を励磁または消磁させるタイミングを制御することにより、流量を調整することができる。

以上、詳細に説明したように第１の実施の形態に係る開閉弁１０では、連通流路１６内にフィルタ２０により封止された複数の磁性粒子１８を、電磁石１５，１７によって、フィルタ２０に対して密着あるいは離間させることにより、連通流路１６を遮断あるいは解放して流体の供給を制御する。このように、開閉弁１０では、入口ポート１３、連流流路１６、および出口ポート１４で構成される流路外に備わるのは、電磁石１５，１７のみである。そして、磁性粒子１８は小さな磁力によって移動させることができるため、電磁石１５，１７を非常に小さくすることができる。これにより、開閉弁１０は小型化を図ることができる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態に係る開閉弁は、流路を屈曲させることなく直線状に形成することにより更なる小型化を図ったものである。このため、第１の実施の形態とは若干異なる構成を有する。そこで、以下の説明では、その相違点を中心に説明し、第１の実施の形態と同様の構成のものについては同符号を付してその説明を適宜省略する。

まず、第２の実施の形態に係る開閉弁１０ａの概略構成を図４に示す。図４は、第２の実施の形態に係る開閉弁１０ａの概略構成を示す断面図である。本実施の形態に係る開閉弁１０ａには、第１ボディ２１と、第２ボディ２２と、第３ボディ２３と、２つのフィルタ２０ａ，２０ｂとが備わっている。フィルタ２０ａは、第１ボディ２１と第２ボディとの間に配置されて接合（超音波溶接）されている。フィルタ２０ｂは、第２ボディ２２と第３ボディ２３との間に配置されて接合（超音波溶接）されている。そして、この開閉弁１０ａは、幅（図４における左右方向の大きさ）が約１０ｍｍ、高さ（図４における上下方向の大きさ）が約８ｍｍであり、第１の実施の形態に係る開閉弁１０よりもさらに小型化されている。なお、フィルタ２０ａ，２０ｂは、ともにフィルタ２０と同様の構成を備えるフィルタである。

ここで、第１ボディ２１には入口ポート１３が形成されている。一方、第３ボディ２３には出口ポート１４が形成されている。また、第３ボディ２３には、出口ポート１４の両側に電磁石１５ａが設けられている。この電磁石１５ａは、出口ポート１４側に配置されたフィルタ２０ｂに磁性粒子１８を密着させるためのものである。

そして、第２ボディ２２には、直線状の連通流路１６ａが形成されている。この連通流路１６ａは、第１ボディ２１に形成されている入口ポート１３と、第３ボディ２３に形成されている出口ポート１４とを連通させるものである。この連通流路１６ａには、複数の磁性粒子１８が内蔵されている。そして、これらの磁性粒子１８は開閉弁１０ａから流出しないように、２つのフィルタ２０ａ，２０ｂによって連通流路１６ａ内に封止されている。また、第２ボディ２２には、連通流路１６ａの壁面に沿うように電磁石１７ａが設けられている。この電磁石１７ａは、磁性粒子１８を２つのフィルタ２０から離間させる（密着させない）ためのものである。

そして、この開閉弁１０ａでは、入口ポート１３、連流流路１６ａ、および出口ポート１４で構成される流路外に備わるのは、電磁石１５ａ，１７ａのみである。ここで、電磁石１５ａ，１７ａは、磁性粒子１８をフィルタ２０ｂに対して離間・密着させるために、磁性粒子１８を移動させるものである。そして、磁性粒子１８は非常に小さい（直径０．２μｍ程度）ため、小さな磁力によって移動させることができる。このため、電磁石１５ａ，１７ａを非常に小さくすることができる。また、開閉弁１０ａでは、直線状に流路を構成している。これらのことから、開閉弁１０ａでは更なる小型化を図ることができるのである。

続いて、上記した構成を有する開閉弁１０ａの動作について、図５および図６を参照しながら説明する。図５は、第２の実施の形態に係る開閉弁の弁開時における状態を説明するための説明図である。図６は、第２の実施の形態に係る開閉弁の弁閉時における状態を説明するための説明図である。

まず、弁開動作時について説明する。弁開動作時には、電磁石１７ａが励磁される。そうすると、電磁石１７ａの作用により、連通流路１６ａ内に存在する複数の磁性粒子１８が電磁石１７ａに引き寄せられる。このため、図５に示すように、磁性粒子１８は連通流路１６ａの上面に移動する。これにより、入口ポート１３と出口ポート１４とが連通流路１６ａを介して連通した状態となる。したがって、入口ポート１３から供給された流体は、フィルタ２０ａを通過し連通流路１６ａへと流れ、その後フィルタ２０ｂを通過して出口ポート１４へと流れる。

次に、弁閉動作時には、電磁石１７ａが消磁されるとともに、電磁石１５ａが励磁される。そうすると、電磁石１５ａの作用により、連通流路１６ａ内に存在する複数の磁性粒子１８が電磁石１５ａに引き寄せられる。このため、図６に示すように、磁性粒子１８は出口ポート１４側に配置されたフィルタ２０ｂの方へと移動して、フィルタ２０ｂに密着する。このとき、フィルタ２０ｂは、いわゆる目詰まり状態となる。これにより、連通流路１６ａと出口ポート１４とが磁性粒子１８によって遮断された状態となる。したがって、入口ポート１３から供給された流体は、連通流路１６ａまでは流れるが出口ポート１４へは流れなくなる。

そして、弁閉動作時には、電磁石１５ａにより常に一定の力（磁力）で、磁性粒子１８を出口ポート１４側のフィルタ２０ｂに密着させている。また、磁性粒子１８はポリスチレンにより被覆されているために弾性を有するので、磁性粒子１８がフィルタ２０ｂに密着した際のシール性能が高い。これらのことから、弁閉動作時における開閉弁１０ａからの流体の漏れを確実に防止することができる。つまり、流体の供給を確実に遮断することができる。

その後、電磁石１５ａが消磁されるとともに、電磁石１７ａが励磁されると、図５に示す状態になり、流体の供給が再開される。このように、開閉弁１０ａは、電磁石１５ａ，１７ａを励磁または消磁させることにより、流体の供給を制御することができる。そして、磁石１５ａ，１７ａを励磁または消磁させるタイミングを制御することにより、流量を調整することができる。

以上、詳細に説明したように第２の実施の形態に係る開閉弁１０ａでは、連通流路１６ａ内にフィルタ２０ａ，２０ｂにより封止された複数の磁性粒子１８を、電磁石１５ａ，１７ａによって、出口ポート１４側のフィルタ２０ｂに対して密着あるいは離間させることにより、連通流路１６ａを遮断あるいは解放して流体の供給を制御する。このように、開閉弁１０ａでは、入口ポート１３、連流流路１６ａ、および出口ポート１４で構成される流路外に備わるのは、電磁石１５ａ，１７ａのみである。そして、磁性粒子１８は小さな磁力によって移動させることができるため、電磁石１５ａ，１７ａを非常に小さくすることができる。また、開閉弁１０ａでは、流路を直線状に形成している。これらのことにより、開閉弁１０ａは更なる小型化を図ることができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、第１および第２の移動手段として、電磁石を例示しているが、これ以外にも磁力により磁性粒子１８を移動させることができるものであれば第１および第２の移動手段として用いることができる。例えば、永久磁石を空気圧などにより可動させるものであってもよい。

また、上記した第２の実施の形態では、フィルタ２０ｂに磁性粒子１８を密着させて弁閉状態とする開閉弁１０ａを例示したが、図７に示すように、フィルタ２０ａに磁性粒子１８を密着させる電磁石１５ｂを設けてもよい。こうすることにより、連通流路１６ａを２箇所で遮断することができるため、弁閉動作時における流体の漏れをより確実に防止することができる。

一方、弁閉動作時における流体の漏れに対する要求が厳しくない場合、つまり多少の漏れが許容される場合には、第２の移動手段としての電磁石１５あるいは１５ａを設けなくてもよい。

また、電磁石１５，１７，１５ａ，１７ａの配置位置は、上記した位置に限られず、磁性粒子１８をフィルタ２０，２０ｂに対して確実に密着・離間させるように磁力を作用させることができる位置であればどのように配置してもよい。

第１の実施の形態に係る開閉弁の概略構成を示す断面図である。 第１の実施の形態に係る開閉弁の弁開時における状態を説明するための説明図である。 第１の実施の形態に係る開閉弁の弁閉時における状態を説明するための説明図である。 第２の実施の形態に係る開閉弁の概略構成を示す断面図である。 第２の実施の形態に係る開閉弁の弁開時における状態を説明するための説明図である。 第２の実施の形態に係る開閉弁の弁閉時における状態を説明するための説明図である。 第２の実施の形態に係る開閉弁の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 開閉弁
１１ 下部ボディ
１２ 上部ボディ
１３ 入口ポート
１４ 出口ポート
１５ 電磁石
１６ 連通流路
１７ 電磁石
１８ 磁性粒子
２０ フィルタ

Claims (2)

1. 入口ポートと、出口ポートと、前記入口ポートと前記出口ポートとを連通する連通流路とを備え、前記入口ポートと前記出口ポートとを連通・遮断することにより流体の供給制御を行う開閉弁において、
   前記連通流路内で、前記入口ポート側と前記出口ポート側にそれぞれ設けられたフィルタ部材と、
   前記両フィルタ部材で囲まれる連通流路内に移動可能に配設された複数の磁性粒子と、
   前記複数の磁性粒子が磁力により吸着されて前記フィルタ部材から離れるように、前記フィルタ部材から離間した位置に設けられた第１の電磁石と、
   前記複数の磁性粒子が磁力により吸着されて前記両フィルタ部材に分かれて密着することにより、前記流体の流れを二箇所で遮断するように、前記フィルタ部材の近傍に設けられた第２の電磁石と、
   を備え、
   前記磁性粒子が前記フィルタ部材に密着したときに、該磁性粒子が前記流体の流れを遮断し、前記磁性粒子が前記フィルタ部材から離れたときに、該磁性粒子が前記流体の流れを許容することを特徴とする開閉弁。
2. 請求項１に記載する開閉弁において、
   前記磁性粒子は、耐薬品性を有する樹脂によって被覆されていることを特徴とする開閉弁。

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