JP4312086B2 - 微量液体制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、微量液体制御装置に関するものである。

従来より、生化学マイクロ分析システム（Micro Total Analysis Systems：μTAS）においては反応液を所望の液量だけ定量分取する手法が望まれていた。こうした要望に応じ、且つデッドボリュームを最小化すると共にコンタミネーションを避けるため、導管路内に存在する液体を圧力を利用して任意の位置へ移動させ、分取するようにした微量液体制御機構が提案されている（例えば、特許文献１，２、非特許文献１参照）。

これらの文献のうち、特許文献１や非特許文献１は、水溶液などの液体が疎水性の細管に対して起こす負の毛細管現象を利用して細管から液体用流路に対して空気を供給することで、液体の位置決めセンサーなどを用いることなく液体の位置決めを行うと共に、所望の細管と流路終端の間で液体を定量分取する制御機構を開示している。また、特許文献２は、表面弾性波によって液滴に作用する音響パワーと液滴の表面張力のバランスを利用して液体から液滴を定量分取する技術を開示している。

特開２０００−２７８１３号公報 独国特許発明第１００６２２４６号明細書 K. Hosokawa et. al, 「FORMATION AND ACTIVE MIXING OF METERD NANO/PICOLITER LIQUID DROPLETS IN A MICROFLUIDIC DEVICE」, Micro Total Analysis Systems 2000, P. 481−484

しかしながら、特許文献１や非特許文献１の制御機構は、Ｔ字形の分岐流路部や流路終端に液体を一旦保持し、空気で液体を分離した後に元の流路に分取した液体を戻して移動させる必要があり、分取にかかる操作が煩雑であるという問題があった。また、特許文献１や非特許文献１の制御機構は、空気圧を利用するために応答時間が遅く、分取が完了するまでに時間がかかるという問題があった。また、特許文献２の制御機構は、液体の表面張力を利用するため、閉空間の流路に完全に満たされた連続液体の場合には、分取に利用できないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡単な構成で、流路に存在する連続液体を所望の位置において分割することが可能な微量液体制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、超音波によって液体を制御するように構成された微量液体制御装置において、前記超音波を伝播すると共に、前記超音波の伝播方向に沿って前記液体の流路が形成された伝播部材と、前記伝播部材に設置され、少なくとも２つの異なる方向に超音波を発生する超音波発生手段と、を有し、前記流路に保持された液体を、前記超音波発生手段の設置位置に対応し、かつ、前記液体が気体と接触する位置において前記超音波によって分割することを特徴とする。

上記態様の微量液体制御装置によれば、簡単な構成で、流路に存在する連続液体を所望の位置において分割することができる。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記超音波は、表面弾性波であることを特徴とする。

上記態様の微量液体制御装置によれば、表面弾性波が液体を分割する。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記超音波発生手段は、前記流路に設置されていることを特徴とする。

上記態様の微量液体制御装置によれば、液体を流路で分割する。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記超音波発生手段は、櫛歯電極対であることを特徴とする。

上記態様の微量液体制御装置によれば、櫛歯電極対によって異なる２方向に超音波が発生されて、液体が分割される。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記櫛歯電極対は、前記超音波の伝播方向に直交する方向における幅が前記流路の幅より広いことを特徴とする。

上記態様の微量液体制御装置によれば、液体の流路に超音波が均一に伝播されて、超音波の分布に偏りがなく、より直線に近い面で液体が分割され、液体の粘度によらず対応できる。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記櫛歯電極対は、少なくとも２つの異なる方向に超音波を発生することを特徴とする。

上記態様の微量液体制御装置によれば、櫛歯電極対が２つの異なる方向に超音波を発生することによって、液体の切り分けという現象が発生し、液体が分割される。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記表面弾性波は、前記液体が気体と接触する位置、前記液体が気体と接触する位置と隣接する位置、或いは前記液体が気体と接触する位置と対向する位置のいずれかで前記液体に作用することを特徴とする。

上記態様の微量液体制御装置によれば、表面弾性波は分割に適した位置で液体に作用する。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記超音波は、音軸が交わる点又は伝搬方向が異なる点で前記液体を分割することを特徴とする。

上記態様の微量液体制御装置によれば、超音波が液体を分割する位置は、超音波から液体に作用する力が最大の位置となる。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記超音波は、前記超音波発生手段の設置位置において伝播方向と交わる面で前記液体を分割することを特徴とする。

上記態様の微量液体制御装置によれば、液体が分割される位置が、超音波発生手段において発生した超音波から作用する力が最大の位置となる。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記超音波は、前記超音波発生手段の設置されている領域の中央を含む面で前記液体を分割することを特徴とする。

上記態様の微量液体制御装置によれば、液体が分割される位置が、超音波発生手段において発生した超音波から作用する力が最大の位置となる。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記超音波発生手段の設置位置に対応した位置は、前記超音波発生手段の設置位置、前記超音波発生手段の設置位置と隣接する位置、或いは前記超音波発生手段の設置位置と対向する位置のいずれかであることを特徴とする。

上記態様の微量液体制御装置によれば、液体が分割される位置が、超音波発生手段において発生した超音波から作用する力が最大の位置となる。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記液体は、前記超音波発生手段の設置位置又は前記超音波発生手段と対向する位置において前記気体と接していることを特徴とする。

上記態様の微量液体制御装置によれば、異なる２方向に発生された超音波によって作られた液体の密度が低下した部分に効率よく空気が流入し、液体がレスポンスよく分割される。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、更に、前記液体に前記気体を接触させる界面確保手段が、前記液体が分割される位置に設けられていることを特徴とする。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記界面確保手段は、前記流路に接続され、当該流路に気体を導く導入口であることを特徴とする。

上記態様の微量液体制御装置によれば、流路に気体が導かれることで、液体の分割がレスポンスよく実行される。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記流路は、前記液体が所定の圧力で連続的に導入されることを特徴とする。

上記態様の微量液体制御装置によれば、超音波を発生する超音波発生手段を調節することにより、液体の動きが、減速、停止或いは逆行と、種々に調整される。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記超音波は、所定の圧力で導入される前記液体を減速させることを特徴とする。

また、本発明にかかる微量液体制御装置の一態様は、上記の発明において、前記超音波は、分割された前記液体を搬送することを特徴とする。

本発明にかかる微量液体制御装置は、簡単な構成で、流路に存在する連続液体を所望の位置において分割することが可能な微量液体制御装置を提供することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる微量液体制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る微量液体制御装置の外観を示す斜視図である。図２は、図１に示す微量液体制御装置の流路及び表面弾性波発生手段を示す斜視図である。図３は、図１に示す微量液体制御装置の断面図である。図４は、図１に示す微量液体制御装置の流路を示す平面図である。

微量液体制御装置１は、図１及び図２に示すように、伝播部材２と超音波を発生する超音波発生手段、ここでは表面弾性波を発生するＩＤＴ(Inter Digital Transducers）、櫛歯電極（以下、単に「櫛歯電極」という）５を有している。

伝播部材２は、図１に示すように、櫛歯電極５が発生した表面弾性波を伝播する部材で、基板２ａ、側板２ｂ及びカバー２ｃを張り合わせることにより、中央に液体の流路２ｄが長手方向に形成されている。基板２ａは、例えば、半導体製造技術におけるシリコンやガラスなどの固体基板、またはこれらの固体基板上に金属層や絶縁層を形成したものの他、ニオブ酸リチウム結晶、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ: lead zirconate titanate）などの圧電性の固体基板、さらにはこれらの圧電性基板上の一部に石英層や金属層を設けたものが使用される。基板２ａ、側板２ｂ及びカバー２ｃは、図３に示すように、流路２ｄとなる面に撥水処理が施されて親水部２ｅが形成されている。また、側板２ｂは、図３及び図４に示すように、流路２ｄと交わる空気孔２ｆが設けられている。流路２ｄには、図４に示すように、右側からシリンジポンプなどによって液体Ｌqが圧力Ｐで連続的に注入される。空気孔２ｆは、流路２ｄと交わることで、流路２ｄ内の液体と気体とを接触させ、気液界面を生じさせる。即ち、気液界面確保手段としての導入口としての機能を果たしている。

ここで、親水部２ｅは、例えば、親水性基板上に撥水処理膜を前面に形成した後、フォトリソグラフィーによって疎水性（撥水性）にしたい部分に保護膜を形成する。そして、前記撥水処理膜をプラズマ等でエッチングし、保護膜で保護された部分以外の撥水処理膜を除去することによって親水性基板を露出させた後、保護膜を剥離することによって形成する。また、親水部２ｅは、親水性にしたい部分に保護膜を形成して基板全体を撥水処理した後、保護膜を有機溶剤等で剥離して形成する方法がある。ここで、親水部は、少なくとも周囲の部分に対して相対的に親水性を有していればよい。

櫛歯電極５は、図３及び図４に示すように、流路２ｄと空気孔２ｆとが交差する部分に配置されている。櫛歯電極５は、図２に示すように、１対の電極５ａ，５ｂを有し、交流電源３から交流電場が印加される。電極５ａ，５ｂ間の距離は、交流電源３から印加される交流電場によって発生する表面弾性波の波長をλとしたとき、λ／４となるように設定されている。このため、数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波交流電場を櫛歯電極５に印加すると、周波数が表面音波速度と櫛歯電極５における電極５ａ，５ｂ間隔（λ／４）との比に等しい共鳴条件がほぼ満足される場合に、基板２ａの圧電性領域に表面弾性波が誘起される。また、櫛歯電極５は、図２に示すように、表面弾性波の伝播方向である基板２ａの長手方向と直交する方向における電極５ａ，５ｂの長さが流路２ｄの幅よりも長く設定されている。

従って、微量液体制御装置１においては、流路２ｄに注入された液体Ｌqが任意の地点に来た時点で、櫛歯電極５に前記交流電圧を印加すると、流路２ｄに沿って方向の異なる、ここでは相反する二方向に表面弾性波が発生する。発生した表面弾性波は、櫛歯電極５の中心から基板２ａの表面を長手方向に、左右に進行してゆく。このとき、基板２ａと液体Ｌqとは、基板２ａと気体とに比べて音響インピーダンスが近いことから、発生した表面弾性波が、基板２ａから液体Ｌqに漏洩してゆく。この場合、液体中では、表面弾性波等の横波は伝播できないため、基板２ａと液体Ｌqとの界面では横波が縦波にモード変換されて液体Ｌqに漏洩してゆく。

この結果、図５に示すように、音響放射圧に起因して液体Ｌq中に、矢印で示す左右方向に向きの異なる流れが発生する。このため、流路２ｄ内の液体Ｌqは、櫛歯電極５の部分、例えば、発生した表面弾性波の音軸が交わる点、または表面弾性波発生手段が発生する表面弾性波の伝播方向が異なる（変化する）店における圧力が低下し、空気孔２ｆから空気が流入する。これにより、微量液体制御装置１においては、流路２ｄに連続的に注入される液体Ｌqから微量液体Ｌqmが、表面弾性波発生手段の設置位置に対応し、液体と気体とが接触する位置において、スムーズに分割される。ここで、表面弾性波発生手段の設置位置に対応した位置とは、表面弾性波発生手段の設置位置、または当該表面弾性波発生手段と隣接するもしくは対向する位置である。従って、微量液体制御装置１は、櫛歯電極５の動作タイミングや印加する高周波交流電場を調節することにより、連続的に注入される液体Ｌqから微量液体Ｌqmを所望の位置において短時間で分割でき、分取装置や定量装置として使用することができる。このとき、液体は、例えば表面弾性波の伝播方向と交わる面または表面弾性波発生手段の設置されている領域の中央を含む面で分割される。しかも、微量液体制御装置１は、液体Ｌqを同じ方向に移動させるだけなので、分割に伴う作業も容易である。

このとき、図６に示すように、分割された液体Ｌqのうち、櫛歯電極５の左側に位置する液体Ｌqは、伝播する表面弾性波を気液界面が遮ることから、気液界面が表面弾性波によって伝播方向に押され、この力Ｐ2によって左側に移動される。一方、櫛歯電極５の右側に位置する液体Ｌqは、表面弾性波に基づく力Ｐ1が、注入の圧力Ｐを相殺するため、力Ｐ1と圧力Ｐとの大小関係によって減速、停止、または右側に移動する。また、櫛歯電極５は、電極５ａ，５ｂの長さが流路２ｄの幅よりも長く設定されている。このため、微量液体制御装置１においては、流路２ｄに表面弾性波が均一に伝播されて、表面弾性波の分布に偏りがないので、より直線に近い面で液体を分割することができ、粘度の高い液体にも対応することができる。更に、微量液体制御装置１は、流路２ｄが閉空間となっていることから、大気圧による影響や、蒸発による液体Ｌqの体積変化が軽減される。

ここで、微量液体制御装置１は、液体Ｌqの供給源側から見た図７−１に示すように、伝播部材２として基板２ａのみを用い、親水部２ｅを液体Ｌqの流路２ｄとしてもよい。これにより、微量液体制御装置１は、基板２ａの流路２ｄに沿って送られてくる液体Ｌqを櫛歯電極５で発生した表面弾性波から受ける力Ｐ2によって分割することができる。また、微量液体制御装置１は、同様に見た図７−２に示すように、伝播部材２として、櫛歯電極５を形成した基板２ａの両側に側板２ｂを設けて凹溝状の流路２ｇを形成し、基板２ａ及び側板２ｂの流路２ｇとなる面を親水性にしてもよい。これにより、微量液体制御装置１は、流路２ｇに沿って送られてくる液体Ｌqを櫛歯電極５で発生した表面弾性波から受ける力Ｐ2によって分割することができる。すなわち、流路は、流体と接触し、超音波発生手段の設けられた面が少なくとも伝播部材で構成されていればよい。このとき、流路２ｇは、基板２ａの両側に保護膜を設けた後、誘導結合プラズマ（ICP: Inductively Coupled Plasma）や反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching）等の矩形断面状のエッチングが可能な装置によって製作してもよい。

（実施の形態２）
次に、微量液体制御装置に係る実施の形態２を説明する。実施の形態１に係る微量液体制御装置と異なる点は、櫛歯電極が収束型の櫛歯電極に変更されている事である。図８は、微量液体制御装置の概略構成を示す平面図である。図９は、液体を分割する様子を示す平面図である。図１０は、図８に示す微量液体制御装置の変形例を示す平面図である。図１１は、液体を分割する様子を示す平面図である。

微量液体制御装置１０は、図８に示すように、伝播部材１１の表面に液体Ｌqの流路１１ａが幅方向中央に長手方向に形成され、流路１１ａを跨ぐように収束型の櫛歯電極１２が形成されている。流路１１ａは、実施の形態１と同様に撥水処理が施され、図８に示すように、右側からシリンジポンプなどによって液体Ｌqが圧力Ｐで連続的に導入される。櫛歯電極１２は、円弧状に成形された１対の電極１２ａ，１２ｂを有し、電極１２ａ，１２ｂ間の距離は、印加する交流電場によって発生する表面弾性波の波長をλとしたとき、λ／４となるように設定されている。また、伝播部材１１は、櫛歯電極１２を設けた位置に、流路１１ａと直交する方向に空気流路１１ｂが設けられている。

微量液体制御装置１０は、櫛歯電極１２の焦点を流路１１ａの一点に合わせることにより、圧力Ｐによって流路１１ａに導入された液体Ｌqにより強い力を付加することができる。櫛歯電極１２によって発生する表面弾性波は、図９に示すように、収束部Ｆと櫛歯電極１２との間で、圧力Ｐと反対方向の力を液体Ｌqに与える。このため、微量液体制御装置１０においては、図中、空気流路１１ｂの右側に存在する液体Ｌqは、速度が遅くなる、または方向が逆転し、櫛歯電極１２より左側に存在する液体は左側に移動し、これと共に液体Ｌqの圧力が低下して空気流路１１ｂから空気が侵入することによって液体Ｌqから微量液体Ｌqmが分割される。従って、微量液体制御装置１０は、櫛歯電極１２の曲率や動作タイミング、更には印加する高周波交流電場を調節することにより、連続的に注入される液体Ｌqから微量液体Ｌqmを所望の位置において短時間で分割でき、微量液体の分取装置や定量装置として使用することができる。しかも、微量液体制御装置１０は、液体Ｌqを同じ方向に移動させるだけなので、分割に伴う作業も容易である。ここで、分割された微量液体Ｌqmは、空気流路１１ｂが存在することによって、圧力Ｐが伝達されないために、左方への移動速度が極端に遅くなるが、この問題は空気流路１１ｂより加圧することにより解決される。

ここで、微量液体制御装置１０は、図１０に示すように、収束部Ｆと櫛歯電極１２との間に空気流路１１ｂを設けてもよい。空気流路１１ｂをこのように設けると、図１１に示すように、収束部Ｆと櫛歯電極１２との間で空気流路１１ｂから液体Ｌqに空気がタイミングよく侵入するので、微量液体Ｌqmが分割し易くなる。

（実施の形態３）
次に、微量液体制御装置に係る実施の形態３を説明する。図１２は、実施の形態３に係る微量液体制御装置の概略構成を示す平面図である。図１３は、液体を分割する様子を示す平面図である。

微量液体制御装置２０は、図１２に示すように、伝播部材２１の表面に液体Ｌqの流路２１ａが幅方向中央に形成され、流路２１ａと直交する方向に分割された液体の搬送流路２１ｂが形成されている。流路２１ａには、櫛歯電極２２が複数設けられ、各櫛歯電極２２を設けた位置に空気流路２１ｃが設けられている。流路２１ａ及び搬送流路２１ｂは、実施の形態１と同様に撥水処理が施されている。流路２１ａは、図中矢印で示すように、シリンジポンプなどによって液体Ｌqが圧力Ｐで連続的に導入される。櫛歯電極２２は、１対の電極２２ａ，２２ｂを有し、電極２２ａ，２２ｂ間の距離は、印加する交流電場によって発生する表面弾性波の波長をλとしたとき、λ／４となるように設定されている。

微量液体制御装置２０は、流路２１ａに液体Ｌqを導入し、複数の櫛歯電極２２すべてに交流電場を印加する。すると、各櫛歯電極２２が発生する表面弾性波によって、櫛歯電極２２の中心から流路２１ａに沿って大きさが同じで向きの異なる２つの力Ｐ1，Ｐ2が発生する。この力により、櫛歯電極２２の間に空気流路２１ｃから空気が侵入して微小な２つの微量液体Ｌqmに分割される。この分割された２つの微量液体Ｌqmは、それぞれ２つの力Ｐ1，Ｐ2によって櫛歯電極２２間の中心に向かって押され、図１３に示すように、搬送流路２１ｂへ押し出される。これに伴い、流路２１ａには、空気流路２１ｃから空気が流れ込む。このとき、それぞれの各櫛歯電極２２の位置において液体Ｌqが分割された時点で、分割された微量液体Ｌqmの移動を促進するため、空気流路２１ｃから圧力を付加するようにしてもよい。また、空気流路２１ｃは、液体Ｌqが侵入しないように内壁に撥水処理を施したり、表面が撥水性を有する粒子を詰め、粒子が動かないように端部にて焼結等を行ってもよい。

従って、微量液体制御装置２０は、櫛歯電極２２の動作タイミングや印加する高周波交流電場を調節することにより、連続的に注入される液体Ｌqから微量液体Ｌqmを所望の位置において短時間で分割でき、微量液体の分取装置や定量装置として使用することができる。しかも、微量液体制御装置２０は、液体Ｌqを同じ方向に移動させるだけなので、分割に伴う作業も容易である。また、微量液体制御装置２０は、先行技術において不可能であった分取バルブの並列化（マルチチャネル化）が可能になり、１チャネルにて分取を行う時間で、任意の複数のチャネルにて分取が可能であるため、分取作業に要する時間を短縮することができる。更に、微量液体制御装置２０は、従来技術に示した制御機構と異なり、チャネル中での液体の往復運動が必要なくなることから、その往復運動中にかかる時間やサンプル量のロスを削減でき、システム構築の簡便化に大きく寄与することができる。

（実施の形態４）
次に、微量液体制御装置に係る実施の形態４を説明する。図１４は、実施の形態４に係る微量液体制御装置の概略構成を示す平面図である。図１５は、液体を分割する様子を示す縦断面図である。

微量液体制御装置２５は、図１４及び図１５に示すように、伝播部材２と表面弾性波を発生する櫛歯電極５を有している。基板２ａは、櫛歯電極５と対応する位置に、流路２ｄを幅方向に貫通する空気孔２ｈが設けられている。一方、櫛歯電極５は、カバー２ｃの下面に設けられている。微量液体制御装置２５は、空気孔２ｆが流路２ｄと点で接続されていた実施の形態１の微量液体制御装置１と異なり、空気孔２ｈが流路２ｄと線で接触している。

従って、微量液体制御装置２５においては、櫛歯電極５を中心として左右に広がる表面弾性波によって分割される微量液体Ｌqmの量は、流路２ｄを幅方向に貫通する空気孔２ｈの基板２ａの長手方向における位置によって決まるため、より正確な値となる。微量液体制御装置２５においては、空気孔２ｈと櫛歯電極５とは対向配置される必要があり、櫛歯電極５における電極５ａ，５ｂの長手方向と空気孔２ｈの方向は平行である事が望ましい。また、空気孔２ｈは、液体Ｌqが個々の表面張力により侵入しない程度の幅が望ましく、侵入を防ぐために内壁表面に撥水加工等を施してもよい。また、基板２ａに流路２ｄを幅方向に貫通するように設ける空気孔２ｈは、図１６に示すように、基板２ａにおいて流路２ｄに断続的に開く複数の孔とすると、これら複数の孔から流路２ｄに侵入する気体がナイフのように液体Ｌqを分割するので、分割の切れがよくなる。

（実施の形態５）
次に、微量液体制御装置に係る実施の形態５を説明する。図１７は、実施の形態５に係る微量液体制御装置の概略構成を示す縦断面図である。図１８は、図１７に示す微量液体制御装置が液体を分割する様子を示す縦断面図である。図１９は、図１７のＡ部を拡大し、櫛歯電極と分割前における液体端部との位置関係を説明するモデル図である。図２０は、分割時における櫛歯電極と液体端部との位置関係を説明するモデル図である。

微量液体制御装置３０は、図１７に示すように、伝播部材２と表面弾性波を発生する櫛歯電極５を有している。微量液体制御装置３０は、基板２ａの上面とカバー２ｃの下面の対向する位置に櫛歯電極５が設けられている。

微量液体制御装置３０においては、シリンジポンプ等による外力を用いて液体Ｌqを流路２ｄに導入し、櫛歯電極５に交流電場を印加すると、櫛歯電極５が発生する表面弾性波の作用により、図１８に示すように、液体Ｌqから微量液体Ｌqmが分割される。このとき、流路２ｄに導入される液体Ｌqにおいては、液体Ｌqと流路２ｄを形成する壁面、即ち、基板２ａ、側板２ｂ及びカバー２ｃとの摩擦により、流路２ｄの中心から壁面に近づくにつれて流速が徐々に遅くなる。

この現象を微視的に見ると、基板２ａと液体Ｌqが接触する部分を拡大した図１９に示すように、櫛歯電極５の中心が矢印Ｃの位置にあるとすると、基板２ａにおける櫛歯電極５の位置の近傍に液体Ｌqと空気が接する気液界面Ｉfが発現するというように見ることができる。このとき、液体Ｌqには櫛歯電極５が発生する表面弾性波によって、図中矢印で示す互いに異なる方向に力Ｐ1，Ｐ2が作用する。この結果、図２０に示すように、櫛歯電極５の中心が存在する矢印Ｃの位置で、気液界面が液体Ｌqに侵入する。このとき、図示しないカバー２ｃ側でも空気が液体Ｌqに侵入する。これにより、櫛歯電極５の中心が存在する気液界面Ｉfの近傍で液体Ｌqから微量液体Ｌqmが分割される。このとき、流路２ｄの内面に前記した撥水加工を施す事により、よりこの効果が顕著になる。

また、微量液体制御装置３０は、流路２ｄの内面の親水性をさらに高めると、壁面近くの液体が壁面に吸い寄せられるように動き、先端の形状が図１７とは逆に、液体Ｌqの進行方向に対して凹んだ放物線形状となり、櫛歯電極５に交流電場を印加すると、壁面近くの液体Ｌqの先端部からは、疎水性の内面から分割した微量液体よりも更に少ない微量液体を分割することができる。このとき、気液界面は、疎水性の壁面とは逆の細管中心部に発生する。

（実施の形態６）
次に、微量液体制御装置に係る実施の形態６を説明する。図２１は、実施の形態６に係る微量液体制御装置の概略構成を示す平面図である。図２２は、図２１に示す微量液体制御装置が液体を分割する様子を示す平面図である。図２３は、分割時における液体端部に作用する力と液体とのを説明するモデル図である。

微量液体制御装置４０は、図２１に示すように、基板２ａと同じ素材からなる伝播部材４１と櫛歯電極５と同様に構成される櫛歯電極４２とを有している。伝播部材４１は、供給流路４１ａと排出流路４１ｂが直交させて配置され、供給流路４１ａにはポンプ等から液体Ｌqが圧力Ｐで連続的に導入される。伝播部材４１は、供給流路４１ａと排出流路４１ｂとが交差する部分に、電極４２ａ，４２ｂを有する櫛歯電極４２が設けられている。

微量液体制御装置４０は、櫛歯電極４２に交流電場を印加し、供給流路４１ａに液体Ｌqを流すと、液体Ｌqが供給流路４１ａを移動して供給流路４１ａと排出流路４１ｂとの交差部に近づいてゆく。そして、液体Ｌqが櫛歯電極４２を通過し、液体Ｌqの先端が排出流路４１ｂに突出すると、図２２に示すように、液体Ｌqの先端部分が分割して微量液体Ｌqmが形成される。

このとき、排出流路４１ｂに突出した液体Ｌqの先端には、図２２に示すように、櫛歯電極４２の供給流路４１ａ方向中央を基準として、矢印で示す左右方向に向きの異なる力Ｐ1，Ｐ2が供給流路４１ａの終端部において作用する。このため、液体Ｌqの先端は、切れが良好な状態で微量液体Ｌqmが分割される。また、供給流路４１ａに残る液体Ｌqは、微量液体Ｌqmが分割された時点では、表面張力によって供給流路４１ａに戻される。そして、櫛歯電極４２の中心よりも排出流路４１ｂ側に存在する液体Ｌqは、再び櫛歯電極４２によって左向きの力を受け、ゆっくりと供給流路４１ａと排出流路４１ｂとの交差部に向かい、分割された微量液体Ｌqmとの速度差が生じることから、微量液体Ｌqmが再度液体Ｌqと一つになることは無い。

また、排出流路４１ｂは、図２２に矢印を示すように、空気流を導入することによって、分割された微量液体Ｌqmを効率的に搬送することができる。但し、空気流による微量液体Ｌqmの搬送は、空気中でも可能であるが、流路のような閉空間において行う方が、液滴の体積や空気流れを制御できるので好ましい。
本発明を通して、特に断りのない限り、表面弾性波発生手段の設けられる位置、すなわち表面弾性波が液体に作用する位置は、液体と気体が接触する気液界面の存在する位置の近傍が望ましい。

より詳細には、表面弾性波が液体に作用する位置は、液体と気体が接触する位置または当該位置と隣接もしくは対向した位置が望ましい。こうすることで、分割に適した位置に表面弾性波を作用させることができる。

以上のように、本発明にかかる微量液体制御装置は、流路に存在する連続液体から微量液体を所望の位置で分割するのに有用であり、特に、液体の分取や定量に適している。

本発明の実施の形態１に係る微量液体制御装置の外観を示す斜視図である。 図１に示す微量液体制御装置の流路及び表面弾性波発生手段を示す斜視図である。 図１に示す微量液体制御装置の断面図である。 図１に示す微量液体制御装置の流路を示す平面図である。 流路内の液体が分割されるメカニズムを説明する図である。 分割された微量液体の動きを説明する図である。 実施の形態１に係る微量液体制御装置の第１の変形例を示す図である。 実施の形態１に係る微量液体制御装置の第２の変形例を示す図である。 微量液体制御装置の概略構成を示す平面図である。 液体を分割する様子を示す平面図である。 図８に示す微量液体制御装置の変形例を示す平面図である。 液体を分割する様子を示す平面図である。 実施の形態３に係る微量液体制御装置の概略構成を示す平面図である。 液体を分割する様子を示す平面図である。 実施の形態４に係る微量液体制御装置の概略構成を示す平面図である。 液体を分割する様子を示す縦断面図である。 実施の形態４に係る微量液体制御装置の変形例を示す断面図である。 実施の形態５に係る微量液体制御装置の概略構成を示す縦断面図である。 図１７に示す微量液体制御装置が液体を分割する様子を示す縦断面図である。 図１７のＡ部を拡大し、櫛歯電極と分割前における液体端部との位置関係を説明するモデル図である。 分割時における櫛歯電極と液体端部との位置関係を説明するモデル図である。 実施の形態６に係る微量液体制御装置の概略構成を示す平面図である。 図２１に示す微量液体制御装置が液体を分割する様子を示す平面図である。 分割時における液体端部に作用する力と液体とのを説明するモデル図である。

符号の説明

１ 微量液体制御装置
２ 伝播部材
２ａ 基板
２ｂ 側板
２ｃ カバー
２ｄ 流路
２ｅ 親水部
２ｆ 空気孔
２ｇ 流路
２ｈ 空気孔
３ 交流電源
５ 櫛歯電極
５ａ，５ｂ 電極
１０ 微量液体制御装置
１１ 伝播部材
１１ａ 流路
１１ｂ 空気流路
１２ 櫛歯電極
１２ａ，１２ｂ 電極
２０ 微量液体制御装置
２１ 伝播部材
２１ａ 流路
２１ｂ 搬送流路
２１ｃ 空気流路
２２ 櫛歯電極
２２ａ，２２ｂ 電極
２５ 微量液体制御装置
３０ 微量液体制御装置
４０ 微量液体制御装置
４１ 伝播部材
４１ａ 供給流路
４１ｂ 排出流路
４２ 櫛歯電極
４２ａ，４２ｂ 電極
Ｉf 気液界面
Ｌq 液体
Ｌqm 微量液体

Claims (17)

1. 超音波によって液体を制御するように構成された微量液体制御装置において、
   前記超音波を伝播すると共に、前記超音波の伝播方向に沿って前記液体の流路が形成された伝播部材と、
   前記伝播部材に設置され、少なくとも２つの異なる方向に超音波を発生する超音波発生手段と、を有し、
   前記流路に保持された液体を、前記超音波発生手段の設置位置に対応し、かつ、前記液体が気体と接触する位置において前記超音波によって分割することを特徴とする微量液体制御装置。
2. 前記超音波は、表面弾性波であることを特徴とする請求項１に記載の微量液体制御装置。
3. 前記超音波発生手段は、前記流路に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の微量液体制御装置。
4. 前記超音波発生手段は、櫛歯電極対であることを特徴とする請求項１又は２に記載の微量液体制御装置。
5. 前記櫛歯電極対は、前記超音波の伝播方向に直交する方向における幅が前記流路の幅より広いことを特徴とする請求項４に記載の微量液体制御装置。
6. 前記櫛歯電極対は、少なくとも２つの異なる方向に超音波を発生することを特徴とする請求項４に記載の微量液体制御装置。
7. 前記表面弾性波は、前記液体が気体と接触する位置、前記液体が気体と接触する位置と隣接する位置、或いは前記液体が気体と接触する位置と対向する位置のいずれかで前記液体に作用することを特徴とする請求項２に記載の微量液体制御装置。
8. 前記超音波は、音軸が交わる点又は伝搬方向が異なる点で前記液体を分割することを特徴とする請求項１に記載の微量液体制御装置。
9. 前記超音波は、前記超音波発生手段の設置位置において伝播方向と交わる面で前記液体を分割することを特徴とする請求項１に記載の微量液体制御装置。
10. 前記超音波は、前記超音波発生手段の設置されている領域の中央を含む面で前記液体を分割することを特徴とする請求項１に記載の微量液体制御装置。
11. 前記超音波発生手段の設置位置に対応した位置は、前記超音波発生手段の設置位置、前記超音波発生手段の設置位置と隣接する位置、或いは前記超音波発生手段の設置位置と対向する位置のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の微量液体制御装置。
12. 前記液体は、前記超音波発生手段の設置位置又は前記超音波発生手段と対向する位置において前記気体と接していることを特徴とする請求項１に記載の微量液体制御装置。
13. 更に、前記液体に前記気体を接触させる界面確保手段が、前記液体が分割される位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の微量液体制御装置。
14. 前記界面確保手段は、前記流路に接続され、当該流路に気体を導く導入口であることを特徴とする請求項１３に記載の微量液体制御装置。
15. 前記流路は、前記液体が所定の圧力で連続的に導入されることを特徴とする請求項１に記載の微量液体制御装置。
16. 前記超音波は、所定の圧力で導入される前記液体を減速させることを特徴とする請求項１５に記載の微量液体制御装置。
17. 前記超音波は、分割された前記液体を搬送することを特徴とする請求項１に記載の微量液体制御装置。

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