JP4392554B2 - Scientific phenomenon evaluation device, science experiment teaching material, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法に係り、特に、安価で、環境負荷が小さく、先端技術を手軽に楽しむのに好適な科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a scientific phenomenon evaluation device, a science experiment teaching material, and a manufacturing method thereof, and in particular, a scientific phenomenon evaluation device, a science experiment teaching material, which is inexpensive, has a low environmental burden, and is suitable for easily enjoying advanced technology, And a manufacturing method thereof.
科学現象の評価装置や理科実験教材については、これまでに各種の構成のものが提案されている(特許文献1参照。)。 Various scientific phenomena evaluation devices and science experiment teaching materials have been proposed so far (see Patent Document 1).
たとえば、特許文献1は、空気中の水蒸気や容器に入れた水や水蒸気を冷却又は凍結せしめることにより、水の温度変化による自然現象を観察できるようにした理科教材であり、小型で構造が簡単であり、水の温度変化による各種の自然現象を忠実に再現することが可能であるとされている。 For example, Patent Document 1 is a science teaching material that allows natural phenomena due to temperature changes of water to be observed by cooling or freezing water vapor in water, water in a container, or water vapor, and is small and simple in structure. It is said that it is possible to faithfully reproduce various natural phenomena due to temperature changes in water.
また、教育用途の化学実験装置としては、学習研究社等より、『科学と学習 実験キットシリーズ』、『大人の科学地球環境分析キット』等の実験キットが発売されている。このような実験キットは、数百円から3千円程度の比較的安い価格で販売されており、子供たちに夢を与えたり、ユーザーに実験の楽しみを与えたりする実験キットであり、好評を博している。
しかしながら、従来のこの種の科学現象の評価装置として、特許文献1に記載のようなものは、構成が比較的複雑で、安価に提供するのは困難であり、クラスの生徒全員が購入するのは不適である。 However, as a conventional evaluation apparatus for this kind of scientific phenomenon, the one described in Patent Document 1 has a relatively complicated structure and is difficult to provide at low cost, and all students in the class purchase it. Is unsuitable.
一方、構成が比較的単純な実験キットは、比較的安い価格のものが多く、クラスの生徒全員が購入して使用するのに適しているものの、仕上がり精度の点で不十分なものが多く、その分薬品など使用量が多く、クラスの生徒全員が使用した場合には、たとえば廃液処理等の点で環境負荷となり、望ましくない。 On the other hand, many experimental kits with a relatively simple structure are relatively inexpensive and suitable for all students in the class to purchase and use, but many are insufficient in terms of accuracy. If the amount of chemicals used is large and used by all students in the class, it is not desirable because, for example, waste liquid treatment is an environmental burden.
また、従来の実験キットによって体験できる実験内容は、古典的な科学実験法であり、先端技術を手軽に楽しむことができるものは、非常に限られている。特に、最近はマイクロテクノロジーやナノテクノロジーの先端技術が脚光をあびており、微細流路であるマイクロチャンネルの中で起きる物質の拡散現象を手軽に観察することのできる実験教材が要望されている。しかし、マイクロな科学実験に必要なものは非常に精度の良い微細流路であり、このような微細流路を如何に精度良く且つ安価に組み立てるかが科学実験を行う上で重要になる。 Moreover, the experimental contents that can be experienced with the conventional experimental kit are classical scientific experimental methods, and those that can easily enjoy advanced technology are very limited. In particular, the latest technologies of microtechnology and nanotechnology have attracted attention recently, and there is a need for experimental teaching materials that allow easy observation of the diffusion phenomenon of substances occurring in microchannels, which are fine channels. However, what is necessary for a micro scientific experiment is a highly accurate micro flow path, and how to assemble such a micro flow path with high accuracy and at a low cost is important in conducting a scientific experiment.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、安価で、環境負荷が小さく、先端技術を手軽に楽しむのに好適な科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a scientific phenomenon evaluation apparatus, a science experiment teaching material, and a manufacturing method thereof that are inexpensive, have a low environmental load, and are suitable for easily enjoying advanced technologies. For the purpose.
本発明は、前記目的を達成するために、板状体の表面に断面積が1mm2以下の長溝が形成されている基板と、該基板の表面に密着配置され、前記長溝を覆うことにより該基板に微細な流路を形成する覆い板と、前記基板と前記覆い板とが合わさった両側から挟み付けて該基板と覆い板とを支持するケーシングと、を備え、前記ケーシングは、前記基板と前記覆い板とが合わさった両側に当てがう透明な一対の当て板と、前記一対の当て板同士を、前記基板と前記覆い板とを挟み付けるように連結する連結手段と、により前記基板と前記覆い板とを接着剤を使用せずに密着させると共に、前記基板及び/又は覆い板を透明にすることで、前記流路内の科学現象が視覚により認識可能となっていることを特徴とする科学現象の評価装置を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a substrate in which a long groove having a cross-sectional area of 1 mm 2 or less is formed on the surface of a plate-like body, and is disposed in close contact with the surface of the substrate so as to cover the long groove. A cover plate that forms a fine flow path in the substrate, and a casing that sandwiches the substrate and the cover plate from both sides and supports the substrate and the cover plate, and the casing includes the substrate and A pair of transparent contact plates applied to both sides of the cover plate and the connecting plate for connecting the pair of contact plates so as to sandwich the substrate and the cover plate; The cover plate and the cover plate are brought into close contact with each other without using an adhesive, and the substrate and / or cover plate is made transparent so that a scientific phenomenon in the flow path can be visually recognized. To provide an evaluation device for scientific phenomena The
本発明によれば、この評価装置には、断面積が1mm2 以下の微細な流路が形成されているので、先端技術を体験するのに十分な精度が得られる。先端技術、たとえば、この微細な流路内で生じる液体の拡散現象、液体の伝熱現象、液体の混合現象、液体の化学反応(たとえば、酸アルカリ反応、加水分解反応)等の各種の現象を体験するのに十分な精度が得られ、薬品などの使用量が少なく環境負荷が小さい。したがって、このような科学現象の評価装置は理科実験教材としてふさわしい。 According to the present invention, since this evaluation apparatus has a fine flow path having a cross-sectional area of 1 mm 2 or less, sufficient accuracy to experience advanced technology can be obtained. Advanced technologies such as liquid diffusion phenomenon, liquid heat transfer phenomenon, liquid mixing phenomenon, liquid chemical reaction (for example, acid-alkali reaction, hydrolysis reaction) Sufficient accuracy to experience is obtained, the amount of chemicals used is small, and the environmental load is small. Therefore, such a scientific phenomenon evaluation device is suitable as a science experiment teaching material.
また、基板と覆い板はケーシングで両側から挟み付けられているので、基板と覆い板との密着性がよくなる。ケーシングとしては、例えば基板と前記覆い板とが合わさった両側に当てがう透明な一対の当て板と、一対の当て板同士を、基板と覆い板とを挟み付けるように連結する連結手段とで構成することができる。従って、実験中に、基板と覆い板と間から液漏れすることがないと共に、覆い板の破損も防止できる。 Moreover, since the substrate and the cover plate are sandwiched from both sides by the casing, the adhesion between the substrate and the cover plate is improved. As the casing, for example, a pair of transparent contact plates applied to both sides where the substrate and the cover plate are combined, and a connecting means for connecting the pair of contact plates so as to sandwich the substrate and the cover plate. Can be configured. Therefore, during the experiment, liquid leakage does not occur between the substrate and the cover plate, and damage to the cover plate can be prevented.
ここで、「液溜め部」とあるが、通常は空洞状となっており、この評価装置を操作する際に、ここに薬品等が供給されるものである。 Here, although it is a “liquid reservoir”, it is usually in a hollow shape, and chemicals and the like are supplied to this evaluation device when operating.
尚、微細な流路の断面積としては1mm2 以下であり、0.0025〜0.64mm2 がより好ましく、0.01〜0.25mm2 が最も好ましい。 As the cross-sectional area of the fine flow path and a 1 mm 2 or less, more preferably 0.0025~0.64mm 2, 0.01~0.25mm 2 being most preferred.
本発明において、前記基板及び/又は覆い板が透明であることが好ましい。また、本発明において、前記基板及び/又は覆い板が樹脂材よりなることが好ましい。基板及び/又は覆い板が透明であれば、流路内の科学現象が視覚により認識でき、また、基板及び/又は覆い板が樹脂材よりなるのであれば、評価装置を安価に提供できる。 In the present invention, the substrate and / or the cover plate is preferably transparent. Moreover, in this invention, it is preferable that the said board | substrate and / or a cover board consist of resin materials. If the substrate and / or the cover plate are transparent, a scientific phenomenon in the flow path can be visually recognized, and if the substrate and / or the cover plate is made of a resin material, the evaluation apparatus can be provided at a low cost.
また、本発明において、複数の前記流路の一端が、一箇所の合流点で合流するとともに、複数の前記流路の他端がそれぞれ容積5〜5000mm3 の液溜め部と連通していることが好ましい。このように、複数の流路の一端が、一箇所の合流点で合流しており、流路の他端が液溜め部と連通していることにより、各種の実験が可能となる。 Further, in the present invention, one end of the plurality of flow paths merges at one merge point, and the other end of the plurality of flow paths communicates with a liquid reservoir having a volume of 5 to 5000 mm 3 . Is preferred. As described above, one end of the plurality of flow paths merges at one merge point, and the other end of the flow paths communicates with the liquid reservoir, thereby allowing various experiments.
また、本発明において、略同一長さの2本の前記流路である第1の流路及び第2の流路の一端が一箇所の合流点で合流するとともに、前記第1の流路の他端が容積5〜5000mm3 の第1液溜め部と連通しており、前記第2の流路の他端が容積5〜5000mm3 の第2液溜め部と連通しており、1本の前記流路である第3の流路の一端が前記合流点に連通するとともに、該第3の流路の他端が容積5〜5000mm3 の第3液溜め部と連通していることが好ましい。 In the present invention, the first channel and the one end of the second channel, which are the two channels having substantially the same length, merge at one merge point, and the first channel The other end communicates with a first liquid reservoir having a volume of 5 to 5000 mm 3 , and the other end of the second flow path communicates with a second liquid reservoir having a volume of 5 to 5000 mm 3 . It is preferable that one end of the third flow path, which is the flow path, communicates with the confluence, and the other end of the third flow path communicates with a third liquid reservoir having a volume of 5 to 5000 mm 3 . .
このように、3本の流路と3個の液溜め部よりなる構成とすれば、マイクロなチャンネルの中で起こる拡散現象等を簡便な方法で確認でき、先端技術を手軽に楽しむのに好適である。 In this way, if the structure is composed of three flow paths and three liquid reservoirs, it is possible to check diffusion phenomena, etc. occurring in a micro channel by a simple method, and it is suitable for enjoying advanced technologies easily. It is.
また、本発明において、前記覆い板には、前記第1液溜め部、第2液溜め部及び第3液溜め部の1以上と外気とが連通可能な貫通孔が形成されていることが好ましい。このように、液溜め部と外気とが連通していれば、貫通孔は液溜め部に液体を導入する導入口として利用したり空気抜き孔として利用できるだけでなく、マイクロなチャンネルの中で起こる各現象のコントロールが容易に行える。 In the present invention, the cover plate is preferably formed with a through-hole through which one or more of the first liquid reservoir, the second liquid reservoir, and the third liquid reservoir can communicate with the outside air. . Thus, if the liquid reservoir and the outside air communicate with each other, the through hole can be used not only as an inlet for introducing liquid into the liquid reservoir or as an air vent, but also in each micro channel. The phenomenon can be easily controlled.
また、請求項6の発明は前記目的を達成するために、請求項1〜5のいずれか1項に記載の科学現象の評価装置が携帯式の実験装置であることを特徴とする理科実験教材を提供する。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a science experiment teaching material characterized in that, in order to achieve the object, the scientific phenomenon evaluation apparatus according to any one of the first to fifth aspects is a portable experimental apparatus. I will provide a.
請求項1〜5の何れか1の構成を有する評価装置は理科実験教材として極めて有効だからである。 This is because the evaluation device having the configuration according to any one of claims 1 to 5 is extremely effective as a science experiment teaching material.
請求項7の発明は前記目的を達成するために、請求項1〜5のいずれか1項に記載の科学現象の評価装置の製造方法、又は請求項6に記載の理科実験教材の製造方法であって、基板に形成される長溝の反転形状が表面に形成されている反転型板を使用して、該反転型板の表面に樹脂材を塗布し、該樹脂材を硬化させ、硬化後の該樹脂材を前記反転型板より剥離することにより前記基板を形成する基板形成工程と、前記基板の表面に覆い板を合わせて前記長溝を覆うことにより該基板に微細な流路を形成する合わせ工程と、前記合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、前記基板及び覆い板を挟み付けるように支持することにより前記基板と覆い板を密着させるケーシング取り付け工程と、から成ることを特徴とする科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, a seventh aspect of the invention is a method for manufacturing a scientific phenomenon evaluation apparatus according to any one of the first to fifth aspects, or a method for manufacturing a science experiment teaching material according to the sixth aspect. Then, using a reversal mold plate having a reversal shape of a long groove formed on the substrate formed on the surface, a resin material is applied to the surface of the reversal mold plate, the resin material is cured, A substrate forming step of forming the substrate by peeling the resin material from the reversal mold plate, and a combination of forming a fine flow path in the substrate by covering a cover plate with the cover plate on the surface of the substrate. And a casing attaching step for attaching the casing to the combined substrate and cover plate and supporting the substrate and cover plate so as to sandwich the substrate and the cover plate. Review of scientific phenomena To provide a manufacturing method of the production method or science experiment teaching aid of the device.
本発明によれば、基板形成工程において、長溝の反転形状が表面に形成されている反転型板を使用して転写成形により基板を形成するので、精度よく、かつ、安価に基板が提供でき、評価装置を安価にできる。ここで、「反転型板の表面に樹脂材を塗布し、該樹脂材を硬化させ、」とあるが、反転型板の表面に樹脂材を当て、ホットプレス等により長溝の形状を樹脂材の表面に転写形成する等の方法も、同一技術思想に基づくものであり、本発明の均等範囲であると言える。 According to the present invention, in the substrate forming step, the substrate is formed by transfer molding using a reversal mold plate having a reversal shape of the long groove formed on the surface, so that the substrate can be provided accurately and inexpensively, The evaluation device can be made inexpensive. Here, “the resin material is applied to the surface of the reversal mold plate and the resin material is cured,” but the resin material is applied to the surface of the reversal mold plate and the shape of the long groove is changed by the hot press or the like. The method of transferring and forming on the surface is also based on the same technical idea and can be said to be within the equivalent scope of the present invention.
次に、合わせ工程において、合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、基板及び覆い板を挟み付けるように支持することにより基板と覆い板を密着させる。そして、次のケーシング取り付け工程において、合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、基板及び覆い板を挟み付けるように支持する。これにより、微細な流路を精度良く組み立てることができるので、実験中に、基板と覆い板との間から液漏れすることがないと共に、覆い板の破損も防止できる。従って、本発明の製造方法によれば、微細な流路を精度良く且つ安価に組み立てることができる。かかる反転型板を使用した科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法は、特に樹脂材として軟質性樹脂を使用した場合に好適である。 Next, in the alignment step, the substrate is attached to the combined substrate and the cover plate, and the substrate and the cover plate are brought into close contact with each other by supporting the substrate and the cover plate so as to sandwich the substrate and the cover plate. Then, in the next casing attachment step, the casing is attached to the combined substrate and cover plate, and supported so as to sandwich the substrate and cover plate. Thereby, since a fine flow path can be assembled with high accuracy, liquid leakage does not occur between the substrate and the cover plate during the experiment, and damage to the cover plate can be prevented. Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, a fine flow path can be assembled with high accuracy and at low cost. The method of manufacturing a scientific phenomenon evaluation apparatus or the method of manufacturing a science experiment teaching material using such an inversion mold is particularly suitable when a soft resin is used as the resin material.
請求項8の発明は前記目的を達成するために、請求項1〜5のいずれか1項に記載の科学現象の評価装置の製造方法、又は請求項6に記載の理科実験教材の製造方法であって、マシニングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチング加工、マイクロドリル加工の何れか1つの微細加工方法により、基板の表面に長溝を形成する基板形成工程と、前記基板の表面に覆い板を合わせて前記長溝を覆うことにより該基板に微細な流路を形成する合わせ工程と、前記合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、前記基板及び覆い板を挟み付けるように支持することにより前記基板と覆い板を密着させるケーシング取り付け工程と、から成ることを特徴とする科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, the invention of claim 8 is a method of manufacturing a scientific phenomenon evaluation apparatus according to any one of claims 1 to 5 , or a method of manufacturing a science experiment teaching material according to claim 6. A substrate forming step for forming a long groove on the surface of the substrate by any one of micromachining methods such as machining by a machining center, electrical discharge machining, ultrasonic machining, photoetching, and microdrilling; A cover plate is attached to cover the long groove to form a fine flow path in the substrate, and a casing is attached to the combined substrate and cover plate so as to sandwich the substrate and cover plate. A method of manufacturing a scientific phenomenon evaluation apparatus or a method of manufacturing science experiment teaching materials, comprising: a casing mounting step for bringing the substrate and the cover plate into close contact with each other To provide.
本発明によれば、基板形成工程において、マシニングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチング加工、マイクロドリル加工の何れか1つの微細加工方法により、基板の表面に長溝を形成するので、精度よく、かつ、安価に基板が提供でき、評価装置を安価にできる。 According to the present invention, in the substrate forming process, the long groove is formed on the surface of the substrate by any one of the fine machining methods such as machining by a machining center, electric discharge machining, ultrasonic machining, photoetching machining, and microdrilling. Therefore, the substrate can be provided accurately and inexpensively, and the evaluation apparatus can be made inexpensive.
次に、合わせ工程において、合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、基板及び覆い板を挟み付けるように支持することにより基板と覆い板を密着させる。そして、次のケーシング取り付け工程において、合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、基板及び覆い板を挟み付けるように支持する。これにより、微細な流路を精度良く組み立てることができるので、実験中に、基板と覆い板との間から液漏れすることがないと共に、覆い板の破損も防止できる。従って、本発明の製造方法によれば、微細な流路を精度良く且つ安価に組み立てることができる。かかる微細加工方法を使用した科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法は、特に樹脂材として硬質性樹脂を使用した場合に好適である。 Next, in the alignment step, the substrate is attached to the combined substrate and the cover plate, and the substrate and the cover plate are brought into close contact with each other by supporting the substrate and the cover plate so as to sandwich the substrate and the cover plate. Then, in the next casing attachment step, the casing is attached to the combined substrate and cover plate, and supported so as to sandwich the substrate and cover plate. Thereby, since a fine flow path can be assembled with high accuracy, liquid leakage does not occur between the substrate and the cover plate during the experiment, and damage to the cover plate can be prevented. Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, a fine flow path can be assembled with high accuracy and at low cost. A method for manufacturing a scientific phenomenon evaluation apparatus or a method for manufacturing a science experiment teaching material using such a fine processing method is particularly suitable when a hard resin is used as a resin material.
本発明の請求項7又は8において、前記ケーシング取り付け工程は、前記基板と前記覆い板とが合わさった両側に透明な一対の当て板を当てがい、該一対の当て板同士を連結手段で挟み付けるように連結することが好ましい。基板と覆い板とが合わさった両側に透明な一対の当て板で挟み付けることで、基板と覆い板とに密着性改良のための加工を施す必要がないと共に、一対の当て板を透明にすることで、流路での科学現象を目視することができる。 According to claim 7 or 8 of the present invention, the casing mounting process, the substrate and the cover plate and is combined with purchase against a pair of transparent caul on each side, pinching the pair of wear plate between a connecting means It is preferable to connect as described above. By sandwiching the substrate and the cover plate with a pair of transparent pads, it is not necessary to process the substrate and the cover plate to improve adhesion, and the pair of plates is transparent. Thus, a scientific phenomenon in the flow path can be visually observed.
なお、科学現象とは、上記の微細な流路内で生じる液体の各種化学現象、物理現象等であり、液体の拡散現象、液体の伝熱現象、液体の混合現象、液体の化学反応(たとえば、酸アルカリ反応、加水分解反応)等の各種の現象を含むものである。 Scientific phenomena are various chemical phenomena and physical phenomena of liquids that occur in the above-mentioned fine flow paths. Liquid diffusion phenomena, liquid heat transfer phenomena, liquid mixing phenomena, liquid chemical reactions (for example, , Acid-alkali reaction, hydrolysis reaction) and the like.
以上説明したように、本発明によれば、この評価装置には、断面積が1mm2 以下の微細な流路が形成されているので、先端技術を体験するのに十分な精度が得られ、薬品などの使用量が少なく環境負荷が小さい。 As described above, according to the present invention, the evaluation device is formed with a fine flow path having a cross-sectional area of 1 mm 2 or less, so that sufficient accuracy to experience advanced technology can be obtained. The amount of chemicals used is small and the environmental impact is small.
また、ケーシングを設けることにより、液漏れ等のない非常に精度の良い微細流路を精度良く且つ安価に組み立てることができる。 Further, by providing the casing, it is possible to assemble a highly accurate fine flow path without liquid leakage with high accuracy and at low cost.
以下、添付図面に従って、本発明に係る科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法の好ましい実施の形態について詳説する。図1は、本発明に係る科学現象の評価装置である理科実験教材10の構成を説明する平面図である。図2及び図3は、図1の部分拡大断面図等であり、図2は、第1液溜め部24(図1の左上部点線内)を示し、図3は、第3液溜め部28(図1の右下部点線内)を示す。
Hereinafter, preferred embodiments of a scientific phenomenon evaluation apparatus, a science experiment teaching material, and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a plan view for explaining the configuration of a science
すなわち、理科実験教材10は、板状体の表面に断面積が1mm2 以下の長溝(14、16及び20)が形成されている基板12と、この基板12の表面に密着配置され、長溝を覆うことにより基板12に微細な流路(14A、16A及び20A)を形成する透明な覆い板22とより構成される。
That is, the science
上記の長溝(14、16及び20)により形成される微細な流路は、合流点18で合流する略同一長さの第1の流路14A及び第2の流路16Aと、この第1の流路14A及び第2の流路16Aと更に合流点18で合流する第3の流路20Aよりなる。
The fine flow path formed by the long grooves (14, 16 and 20) includes a
また、第1の流路14Aの他端は、覆い板22に形成された円柱状空洞部である第1液溜め部24と連通しており、第2の流路16Aの他端は、覆い板22に形成された円柱状空洞部である第2液溜め部26と連通しており、第3の流路20Aの他端は、基板12に形成された円柱状空洞部である第3液溜め部28と連通している。
The other end of the
更に、覆い板22の第3液溜め部28に相対する部分には、第3液溜め部28と外気とが連通可能な貫通孔30が形成されている
第1液溜め部24、第2液溜め部26及び第3液溜め部28の容積は、5〜5000mm3 であることが好ましい。このような容積にすることにより、マイクロなチャンネルの中で起こる各現象のコントロールが容易に行える。
Furthermore, a through-
基板12及び覆い板22の平面サイズは、特に制限はないが、学校で使用する理科実験教材10の性質上より、携帯できるサイズ、たとえば、80×50mmとすることができる。基板12及び覆い板22の厚さも、特に制限はないが、強度、経済性等より、たとえば、それぞれ5mm程度とすることができる。
The planar sizes of the
基板12の材質としては、特に制限はないが、後述する製造方法を容易にする点より、樹脂材料、より具体的には、ポリ・ジメチル・スルホキシド(PDMS)、ポリ・メチル・メタアクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、紫外線硬化樹脂、ポリカーボネート(PC)等が好ましく使用できる。
Although there is no restriction | limiting in particular as a material of the board |
基板12の表面に形成する長溝(14、16及び20)の断面積としては、既述のように、1mm2 以下であり、0.0025〜0.64mm2 がより好ましく、0.01〜0.25mm2 が最も好ましい。この長溝(14、16及び20)の断面形状は、特に制限はなく、矩形(正方形、長方形)、台形、V形、半円形等、各種の形状が採用できるが、後述する製造方法を容易にする点より、矩形(正方形、長方形)が好ましい。 The cross-sectional area of the elongated groove is formed on the surface of the substrate 12 (14, 16 and 20), as described above, it is 1 mm 2 or less, more preferably 0.0025~0.64mm 2, 0.01~0 .25 mm 2 is most preferred. The cross-sectional shape of the long grooves (14, 16, and 20) is not particularly limited, and various shapes such as a rectangle (square, rectangle), trapezoid, V shape, and semicircle can be adopted. From the point to do, a rectangle (square, rectangle) is preferable.
覆い板22の材質としては、特に制限はないが、流路内の科学現象を視覚により認識可能とすることより、透明であることが好ましい。このような材料として、各種樹脂板、より具体的には、ポリジメチルスルホキシド(PDMS)、ポリメチルメタアクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、紫外線硬化樹脂、ポリカーボネート(PC)等、各種樹脂膜、より具体的には、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、トリアセチルセルロース(TAC)等、各種ガラス(ソーダライムガラス、硼珪酸ガラス等)が採用できる。
The material of the
この覆い板22は、表面及び裏面が平坦な平板であるのが一般的であるが、微細な流路(14A、16A及び20A)に対応する表面を蒲鉾状の凸レンズ状に形成して、拡大した状態で観察ができるような構成とすることも可能である。
The
なお、覆い板22が不透明であり、基板12を透明とする構成も採用できる。
A configuration in which the
基板12の表面(長溝が形成される面)及び覆い板22の裏面(基板12に密着する面)は、流路(14A、16A及び20A)の形成、及び液漏れの防止等の点より、十分な平坦性を確保できていることが好ましい。 The surface of the substrate 12 (the surface on which the long groove is formed) and the back surface of the cover plate 22 (the surface that is in close contact with the substrate 12) are formed from the viewpoints of forming the flow paths (14A, 16A, and 20A) and preventing liquid leakage. It is preferable to ensure sufficient flatness.
次に、理科実験教材10の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the science
基板12の形成方法の好適な手法としては、基板12の形成に反転型板40を使用する方法と、マシニングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチング加工、マイクロドリル加工の何れか1つの微細加工方法を使用する方法とがある。
As a suitable method for forming the
図4及び図5は、反転型板40を使用する方法である。図4(A)は反転型板40の上面図、図4(B)は反転型板40の側面断面図、図4(C)は覆い板22の側面断面図、図4(D)は覆い板22の上面図である。尚、第1及び第2液溜め部24、26を覆い板22に形成して貫通孔30を省略すると共に、第3液溜め部28を基板12に形成して第3液溜め部28の貫通孔30を覆い板22に形成する場合で説明する。
4 and 5 show a method of using the
先ず、基板12の長溝(14、16及び20)の反転形状が表面に形成されている反転型板40を準備する。この反転型板の表面には、更に第3液溜め部28の反転形状を形成しておく必要がある。即ち、この反転型板40の表面には、反転したときに長溝(14、16及び20)となる凸状の流路型42と凸状の第3液溜め部型44とが形成されている。この反転型板40の製造方法としては、マシニングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチング加工、マイクロドリル加工等、公知の各種の微細加工方法が採用できる。また、覆い板22には微細加工方法により、第1液溜め部24及び第2液溜め部26となる2つの型枠46、46を穿設すると共に、第3液溜め部の貫通孔30を穿設する。
First, a
次いで、この反転型板40の表面に剥離剤を塗布する。この剥離剤としては、基板12となる樹脂材の種類、加工条件(温度等)等に応じて適宜のものが採用できる。
Next, a release agent is applied to the surface of the
次いで、図5(A)に示すように、反転型板40の周りを型枠46で囲った後、反転型板40の表面(凸状の流路型42と凸状の第3液溜め部型44とが形成されている側)に樹脂材を流し込んで塗布し、この樹脂材を硬化させる。樹脂材が、たとえば紫外線硬化樹脂である場合には、塗布後の樹脂材に紫外線を照射して硬化させる。樹脂材が、たとえばポリ塩化ビニル(PVC)のような熱可塑性樹脂である場合には、反転型板40の表面に樹脂材を当ててホットプレス機により熱転写成形を行う。
Next, as shown in FIG. 5A, after the
そして、図5(B)に示すように、硬化後の樹脂材を反転型板40より剥離する。これにより、長溝(14、16及び20)及び第3液溜め部28が形成された基板12が製作される。
Then, as shown in FIG. 5B, the cured resin material is peeled off from the
次に、形成した基板12と、予め用意しておいた図4(D)の覆い板22とを図5に示すように合わせる。合わせ面を接着剤等により接着してもよい。
Next, the formed
次に、図5(D)に示すように、基板12と覆い板22の上下を反転させてから、基板12と覆い板22とにケーシング49を取り付ける。即ち、基板12と覆い板22とが合わさった両側に透明な一対の当て板48、48を当てがい、該一対の当て板48同士を連結手段である複数のボルト50、50…とナット52、52…とで挟み付けるように連結する。この場合、基板12と覆い板22とが合わさった状態の少なくとも4角をボルト50とナット52とで均等に挟み付けることが好ましい。これにより、密着性が良くなるので、実験中に、基板12と覆い板22との間から液漏れしたり、基板12や覆い板22が破損したりすることがない。
Next, as shown in FIG. 5D, after the
また、微細加工方法を使用する理科実験教材10の製造方法の場合には、図5(B)の基板12の形成に、反転型板40ではなく、マシニングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチング加工、マイクロドリル加工等の微細加工方法を使用しただけで、図5(C)及び図5(D)のステップは同様なので詳しい説明は省略する。
Further, in the case of the manufacturing method of the science
上記した反転型板40を使用した理科実験教材10の製造方法は、特に樹脂材として軟質性樹脂を使用した場合に好適である。また、軟質性樹脂のうちでもポリジメチルスルホキシド(PDMS)の場合には、基板12と覆い板22との密着性が極めて良いので、覆い板22及び基板12の少なくとも基板12にPDMSを使用した場合には、ケーシング49の取り付けを省略することも可能である。
The manufacturing method of the science
また、上記の微細加工方法を使用した理科実験教材10の製造方法は、特に樹脂材として硬質性樹脂を使用した場合に好適である。しかし、硬質性樹脂の場合には、基板12と覆い板22の密着性が悪くなる傾向があり、ケーシング49を取り付けることにより、基板12と覆い板22との間からの液漏れを確実に防止できる。例えば、基板12の樹脂材としてポリメチルメタアクリレート(PMMA)の場合には、密着性を改良する点においてケーシング49は特に有効である。
Moreover, the manufacturing method of the science
次に、本発明に係る理科実験教材10の使用方法について説明する。理科実験教材10としては、以下の1)〜12)の部材をセットとして提供する必要がある。
Next, a method for using the science
1)反転型板40
2)基板12用の樹脂材
3)基板12形成用の型枠46
(基板12の形成時に樹脂を流し込むときに型枠として使用する。)
4)覆い板22
5)サンプル液用スポイト
(テスト目的に応じて、必要なサンプル液(試薬)を、第1液溜め部24及び第2液溜め部26に供給するために使用する。薬品ごとに専用でも、1つを洗浄して使いまわしても構わない。)
6)サンプル液出入り口封止用テープ
(サンプル液供給用ホールである第1液溜め部24及び第2液溜め部26の蓋となる。サンプル液をピペットで第1液溜め部24及び第2液溜め部26に供給後、蓋をするためのものである。また、第3液溜め部28の蓋として使用することもできる。)
7)針
(サンプル液を供給する場合、又は、回収する場合、液体が送受液される時に液体の変動分の空気を第1液溜め部24及び第2液溜め部26に入れるため、必要に応じてテープに孔を開けるためのものである。)
8)ケーシング49
(本実験セットを組み上げた時、覆い板22と基板12との間よりの液漏れを防いだり、覆い板22等の破損を防止したりする目的で、このケーシングを取り付ける。なお、このケーシング49には実験目的に沿った各種機能、たとえば、流路を観察しやすくするための拡大鏡等の取り付けも可能である。)
9)送液手段
(第1液溜め部24及び第2液溜め部26にテープで蓋をした状態で、この第1液溜め部24及び第2液溜め部26に熱を加えると(指先をテープに当て、体温で加熱等すると)、この第1液溜め部24及び第2液溜め部26内の液体、及び/又は、気体が体積膨張する。この現象を利用した送液方法、及び第1液溜め部24及び第2液溜め部26内をポンプの原理を利用した方法で加圧して、内部の液体を送り出す方法、などが可能である。
1)
2) Resin material for
(Used as a mold when the resin is poured when the
4)
5) Dropper for sample liquid (Used to supply necessary sample liquid (reagent) to the first
6) Sample liquid inlet / outlet sealing tape (covers the first
7) Needle (When supplying or recovering the sample liquid, it is necessary to supply the air corresponding to the fluctuation of the liquid into the first
8)
(When this experimental set is assembled, this casing is attached for the purpose of preventing liquid leakage between the
9) Liquid feeding means (When heat is applied to the first
この場合、前述7)の針を用いて、第3液溜め部28にテープが貼られている場合には、これに小さな孔を開ける。
In this case, when the tape is affixed to the third
また、第3液溜め部28側をポンプなどを用いて減圧することにより、第1液溜め部24及び第2液溜め部26内にあるサンプル液を流路(14A、16A及び20A)に入れる場合には、第1液溜め部24及び第2液溜め部26のテープ蓋に前述7)の針を用いて小さな孔を開けることにより送液を可能にする。)
10)試験用サンプル液(試薬)
(本科学実験を行うためのテスト試薬として目的に合った必要な薬品を試薬容器に入れて供給する。サンプル液としては、たとえば、色素、又は、顔料などに代表される着色性液体と水など透明液体とが挙げられる。)
11)実験解説書
(本セットで行う実験の目的、現象の説明、応用用途など、このセットで学習できる事象の解説書を必要に応じて添付する。)
12)実験方法手順書
なお、本セットは、生徒に基板12を手作りさせるためのセットであるが、この基板12の手作りを省略する場合には、1)〜3)に代えて、完成した基板12を入れればよい。
Further, by reducing the pressure of the third
10) Test sample solution (reagent)
(A necessary chemical suitable for the purpose as a test reagent for conducting this scientific experiment is supplied in a reagent container. Sample liquids include, for example, coloring liquids such as pigments or pigments, and water. And a clear liquid.)
11) Experiment explanation (Attachment of explanations of events that can be learned with this set, such as the purpose of the experiment conducted in this set, explanation of phenomena, and application uses, if necessary.)
12) Experimental method procedure manual This set is for making the students hand-made the
このセットを使用した実験の詳細については、以下に詳述する。図6及び図7は、実験方法の手順を示す断面図である。このうち、図6は、第1液溜め部24及び第2液溜め部26における時系列的な手順を示す。一方、図7(A)は、第1液溜め部24及び第2液溜め部26にサンプル液を供給した実験開始の状態を示し、図7(B)は、第3液溜め部28にサンプル液が到達した実験終了の状態を示す。
Details of experiments using this set are detailed below. 6 and 7 are cross-sectional views showing the procedure of the experimental method. Among these, FIG. 6 shows a time-series procedure in the first
図6(A)に示されるように、サンプル液用スポイト32により第1液溜め部24(又は第2液溜め部26)に所定量のサンプル液34が供給される。このサンプル液34は、図6(B)及び図7(A)に示されるように、第1液溜め部24(又は第2液溜め部26)内の流路14A(又は16A)と連通する部分を塞ぐように供給される。
As shown in FIG. 6A, a predetermined amount of
次いで、図6(C)に示されるように、サンプル液出入り口封止用のテープ36により第1液溜め部24(又は第2液溜め部26)に蓋をする。このテープ36は、片面(図では下面)に粘着材がコートされているものであり、これにより、第1液溜め部24(又は第2液溜め部26)が外気と遮断される。
Next, as shown in FIG. 6C, the first liquid reservoir 24 (or the second liquid reservoir 26) is covered with a sample liquid inlet /
次いで、図6(D)に示されるように、テープ36の上に指先38を接触させる。これにより、第1液溜め部24(又は第2液溜め部26)に送液手段が形成される。この送液手段は、既述したように、指先38の熱により第1液溜め部24(又は第2液溜め部26)内の気体が体積膨張し、サンプル液34を流路14A(又は16A)に送り込むことによりなされる。
Next, as shown in FIG. 6D, the
また、図6(D)に示される同様の構成において、この送液手段が、指先38でテープ36を押して下方に撓ませ、第1液溜め部24(又は第2液溜め部26)の容積を減少させることにより、サンプル液34を流路14A(又は16A)に送り込むことによりなされるのであってもよい。
Further, in the same configuration as shown in FIG. 6D, this liquid feeding means pushes the
以上に説明した送液手段により、図7(B)に示されるように、サンプル液34が第3液溜め部28に到達し、実験が終了する。この際、図1の第1液溜め部24及び第2液溜め部26より、それぞれ送液手段により、同時にサンプル液34を流路14A及び流路16Aに送り込むことにより、サンプル液34が合流点18で合流する様が観察できる。
As shown in FIG. 7B, the liquid feeding means described above causes the
特に、第1液溜め部24と第2液溜め部26に供給するサンプル液34の色を違えておくことにより、サンプル液34が合流点18で合流する様が観察しやすい。たとえば、第1液溜め部24に着色したサンプル液34を供給し、第2液溜め部26に無色透明なサンプル液34を供給する態様である。
In particular, the
実験者は、このようにして流れるサンプル液34の合流点18以降の流路20Aを観察することにより、マイクロチャンネル内を流れる着色液側から色素、又は、顔料など着色性分子が透明液中に向かって拡散して行く現象を確認することができる。
The experimenter observes the
また、第1液溜め部24と第2液溜め部26に供給するサンプル液34の色を違えておくのみならず、粘度を違えておくことにより、サンプル液34が合流点18で合流する様が異なって観察できる。
Further, not only the color of the
なお、これらの現象をより観察しやすくするために、虫眼鏡、拡大鏡などを使用することもできる。また、既述のように、流路20Aの部分の覆い板22に拡大鏡機能(レンズ機能)を持たせることもできる。
In order to make it easier to observe these phenomena, a magnifying glass, a magnifying glass, or the like can be used. Further, as described above, the
以上に説明した理科実験教材10によれば、マイクロな世界での科学実験を子供たちに楽しく夢を持って行って貰うために、重要な部分をできるだけ簡素化して、安価にでき、かつ、実験は高精度に行える。
According to the science
特に、化学反応の元になる分子の拡散現象等を定性的に観察する場合、実験精度を向上させるために、複数の液が少なくとも同じ条件で流路内を流れることが非常に重要であるが、この要求に十分に答えられる。すなわち、非常に簡便、安価な手段で比較的精度よい実験が可能である。また、マイクロな世界での実験のため、色素、又は、顔料などに代表される化学薬品の使用量も非常に少なくて済み、環境負荷が大幅に軽減できる。 In particular, when qualitatively observing the diffusion phenomenon of molecules that cause chemical reactions, it is very important that a plurality of liquids flow in the flow path at least under the same conditions in order to improve the experimental accuracy. Can fully answer this request. That is, a relatively accurate experiment can be performed with a very simple and inexpensive means. In addition, because of experiments in the micro world, the amount of chemicals represented by dyes or pigments is very small, and the environmental burden can be greatly reduced.
以上、本発明に係る科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。 As mentioned above, although the embodiment of the scientific phenomenon evaluation apparatus, the science experiment teaching material, and the manufacturing method thereof according to the present invention has been described, the present invention is not limited to the above embodiment, and various aspects can be adopted.
たとえば、本実施形態では、2種類のサンプル液34が合流点18で合流し、色素、又は、顔料など着色性分子が透明液中に向かって拡散して行く現象を観察できる実験教材の例を説明したが、これ以外の各種の実験教材としても適用できる。
For example, in this embodiment, an example of an experimental teaching material capable of observing a phenomenon in which two types of
また、本実施形態では、第1液溜め部24及び第2液溜め部26を覆い板22に形成し、第3液溜め部28を基板12に形成しているが、これ以外の態様、たとえば、全ての液溜め部を覆い板22に形成する態様も採用できる。
In the present embodiment, the first
また、本実施形態では、流路と液溜め部を3組設ける構成としたが、4組以上設ける構成も採用できる。 In the present embodiment, three sets of flow paths and liquid reservoirs are provided. However, a configuration in which four or more sets are provided can also be employed.
更に、サンプル液(試薬)を液溜め部(24、26等)に供給するために、サンプル液用スポイト32が使用されているが、これに代えて、同様の機能を有する注射器、マイクロシリンジ等を使用することもできる。理科実験教材としては、一般的には、安価なスポイトを使用するのが望ましいが、テスト目的に応じては、上記のように同様の機能を有するものが好ましいこともある。
Furthermore, in order to supply the sample liquid (reagent) to the liquid reservoir (24, 26, etc.), the
10…理科実験教材、12…基板、14、16、20…長溝、14A…第1の流路、16A…第2の流路、18…合流点、20A…第3の流路、22…覆い板、24…第1液溜め部、26…第2液溜め部、28…第3液溜め部、30…貫通孔、32…サンプル液用スポイト、34…サンプル液、36…封止用テープ、38…指先、40…反転型板、42…凸状の流路型、44…凸状の第3液溜め部型、46…型枠、48…当て板、49…ケーシング、50…ボルト、52…ナット
DESCRIPTION OF
Claims (9)
該基板の表面に密着配置され、前記長溝を覆うことにより該基板に微細な流路を形成する覆い板と、
前記基板と前記覆い板とが合わさった両側から挟み付けて該基板と覆い板とを支持するケーシングと、を備え、
前記ケーシングは、
前記基板と前記覆い板とが合わさった両側に当てがう透明な一対の当て板と、
前記一対の当て板同士を、前記基板と前記覆い板とを挟み付けるように連結する連結手段と、により前記基板と前記覆い板とを接着剤を使用せずに密着させると共に、
前記基板及び/又は覆い板を透明にすることで、前記流路内の科学現象が視覚により認識可能となっていることを特徴とする科学現象の評価装置。 A substrate in which a long groove having a cross-sectional area of 1 mm 2 or less is formed on the surface of the plate-like body;
A cover plate disposed in close contact with the surface of the substrate and forming a fine flow path in the substrate by covering the long groove;
A casing that supports the substrate and the cover plate by sandwiching from both sides of the substrate and the cover plate,
The casing is
A pair of transparent backing plates applied to both sides of the substrate and the cover plate,
With the connecting means for connecting the pair of contact plates so as to sandwich the substrate and the cover plate, the substrate and the cover plate are brought into close contact without using an adhesive, and
An apparatus for evaluating a scientific phenomenon , wherein the scientific phenomenon in the flow path can be visually recognized by making the substrate and / or the cover plate transparent .
前記第1の流路の他端が容積5〜5000mm3の第1液溜め部と連通しており、
前記第2の流路の他端が容積5〜5000mm3の第2液溜め部と連通しており、
1本の前記流路である第3の流路の一端が前記合流点に連通するとともに、該第3の流路の他端が容積5〜5000mm3の第3液溜め部と連通している請求項1〜3のいずれか1項に記載の科学現象の評価装置。 One end of the first flow path and the second flow path, which are the two flow paths having substantially the same length, merge at one merge point,
The other end of the first flow path communicates with a first liquid reservoir having a volume of 5 to 5000 mm 3 ;
The other end of the second flow path communicates with a second liquid reservoir having a volume of 5 to 5000 mm 3 ;
One end of a third flow path, which is one of the flow paths, communicates with the confluence, and the other end of the third flow path communicates with a third liquid reservoir having a volume of 5 to 5000 mm 3 . The scientific phenomenon evaluation apparatus according to any one of claims 1 to 3 .
基板に形成される長溝の反転形状が表面に形成されている反転型板を使用して、該反転型板の表面に樹脂材を塗布し、該樹脂材を硬化させ、硬化後の該樹脂材を前記反転型板より剥離することにより前記基板を形成する基板形成工程と、
前記基板の表面に覆い板を合わせて前記長溝を覆うことにより該基板に微細な流路を形成する合わせ工程と、
前記合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、前記基板及び覆い板を挟み付けるように支持することにより前記基板と覆い板を密着させるケーシング取り付け工程と、から成ることを特徴とする科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法。 A method for manufacturing a scientific phenomenon evaluation apparatus according to any one of claims 1 to 5 , or a method for manufacturing a science experiment teaching material according to claim 6 ,
Using a reversal mold plate having a reversal shape of a long groove formed on a substrate formed on the surface, a resin material is applied to the surface of the reversal mold plate, the resin material is cured, and the resin material after curing Substrate forming step of forming the substrate by peeling the substrate from the reversal mold plate,
A matching step of forming a fine flow path in the substrate by covering a cover plate on the surface of the substrate and covering the long groove;
A casing mounting step for attaching the casing to the combined substrate and the cover plate, and supporting the substrate and the cover plate so as to sandwich the substrate and the cover plate, thereby bringing the substrate and the cover plate into close contact with each other. A method for producing an evaluation device or a method for producing a science experiment teaching material.
マシニングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチング加工、マイクロドリル加工の何れか1つの微細加工方法により、基板の表面に長溝を形成する基板形成工程と、
前記基板の表面に覆い板を合わせて前記長溝を覆うことにより該基板に微細な流路を形成する合わせ工程と、
前記合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、前記基板及び覆い板を挟み付けるように支持することにより前記基板と覆い板を密着させるケーシング取り付け工程と、から成ることを特徴とする科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法。 A method for manufacturing a scientific phenomenon evaluation apparatus according to any one of claims 1 to 5 , or a method for manufacturing a science experiment teaching material according to claim 6 ,
A substrate forming step of forming a long groove on the surface of the substrate by any one of micromachining methods such as machining by a machining center, electric discharge machining, ultrasonic machining, photoetching machining, and microdrilling;
A matching step of forming a fine flow path in the substrate by covering a cover plate on the surface of the substrate and covering the long groove;
A casing mounting step for attaching the casing to the combined substrate and the cover plate, and supporting the substrate and the cover plate so as to sandwich the substrate and the cover plate, thereby bringing the substrate and the cover plate into close contact with each other. A method for producing an evaluation device or a method for producing a science experiment teaching material.
前記基板と前記覆い板とが合わさった両側に透明な一対の当て板を当てがい、該一対の当て板同士を連結手段で挟み付けるように連結することを特徴とする請求項7又は8の科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法。 The casing attaching step includes
9. The science according to claim 7 or 8 , wherein a pair of transparent patch plates are applied to both sides of the substrate and the cover plate, and the pair of patch plates are connected so as to be sandwiched by a connecting means. A method of manufacturing a phenomenon evaluation apparatus or a method of manufacturing science experiment teaching materials.
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