JPWO2015115271A1

JPWO2015115271A1 - 流体制御装置

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Publication number: JPWO2015115271A1
Application number: JP2015559886A
Authority: JP
Inventors: 淳子伊藤; 渡辺　靖; 靖渡辺
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2017-03-23
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: EP3101317B1; US20160327031A1; EP3101317A4; WO2015115271A1; EP3101317A1; US9926923B2; JP6152432B2

Abstract

【課題】２つのプレートの間に挟み込むフィルムで形成されるダイヤフラム部に十分な張力を与えることができる構造の流体制御装置を提供する。【解決手段】第１のプレート２と第２のプレート３との間にフィルム４が挟まれる。第２のプレート３に形成された外側凸部１４は内側凸部１２よりも突出高さ寸法Ｈ２が大きく形成され、外側凸部１４は内側凸部１２よりも幅寸法Ｗ２が小さく形成されている。第１のプレート２と第２のプレート３とが面接合されるときに、外側凹部１３と外側凸部１４とでフィルム４が挟持された後に、内側凹部１１と内側凸部１２との間にフィルム４が挟み込まれ、凹状流路５ａ，５ｂ内に張られるダイヤフラム部４ａに張力が与えられる。【選択図】図２

Description

本発明は、いわゆるマイクロ流路装置を構成する流体制御装置に係り、特に、２つのプレートの間にフィルムが挟み込まれ、フィルムの一部でダイヤフラム部が形成されている流体制御装置に関する。

少量の流体を用いた反応実験などでは、マイクロ流路装置が使用される。
マイクロ流路装置は、プレートの接合部などに微細な流路が形成され、この複数のマイクロ流路装置が用途に応じて組み合わされて使用される。マイクロ流路装置として、ポンプやバルブなどの機能を発揮する流体制御装置が使用されることがある。

以下の特許文献１には、流体制御装置としてマイクロバルブに関する発明が開示されている。このマイクロバルブは、シリコンウエハとシリコーンゴム厚膜との間にシリコーンゴム薄膜が挟み込まれている。シリコーン厚膜に流路となる導管が形成されており、シリコンウエハに、シリコーン薄膜に通じる開口部が形成されている。圧力源から前記開口部を通じてシリコーン薄膜に正圧が付与されると、シリコーン薄膜で導管が塞がれ、導管内の流体の流れが遮断される。

特開２０００−２７８１３号公報

マイクロ流路装置は、微細な流路内で流体の流れを微妙に制御することが必要である。そのため、特許文献１に記載されたマイクロバルブや、それ以外の例えばポンプなどを構成しようとすると、シリコンウエハなどのプレートの間に、シリコーン薄膜などのフィルムを撓みや皺が生じないように張力を与えて張設することが必要である。しかし、２つのプレートの間にプレートより面積の小さいフィルムを挟み込むときに、フィルムに撓みや皺が生じないように適正な張力を与えるのは非常に難しい。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、２つのプレートの間にダイヤフラム部を形成するフィルムを挟む込むときに、フィルムに対して常に適正な張力を与えることができる流体制御装置を提供することを目的としている。

本発明は、第１のプレートならびに第２のプレートと、両プレートの対面部に挟まれたフィルムとを有し、前記フィルムの一部で、前記第１のプレートと前記第２のプレートに形成された流路に対向するダイヤフラム部が形成されている流体制御装置において、
前記第１のプレートに、前記フィルムに当接する第１の平面と、前記ダイヤフラム部の外側に位置して前記第１の面から窪む凹部が形成され、前記第２のプレートに、前記フィルムに当接する第２の平面と、前記凹部に対向して前記第２の平面から突出する凸部が形成されて、前記凹部と前記凸部との嵌合部に前記フィルムの一部が挟み込まれており、
前記凹部と前記凸部との嵌合部では、前記ダイヤフラム部から離れた位置にフィルム規制部が構成され、それよりも前記ダイヤフラム部に近い位置にフィルム張力設定部が構成されており、前記フィルム規制部の方が前記フィルム張力設定部よりも、フィルムに対する挟持力が強いことを特徴とするものである。

本発明は、前記第１のプレートには、外側凹部と、それよりも前記ダイヤフラム部に近い内側凹部とが形成され、前記第２のプレートには、前記外側凹部に対向する外側凸部と、前記内側凹部に対向する内側凸部とが形成されて、前記外側凸部の前記第２の平面からの突出寸法が、前記内側凸部の前記第２の平面からの突出寸法よりも大きく、
前記外側凹部と前記外側凸部との嵌合部で、前記フィルム規制部が構成され、前記内側凹部と前記外側凹部との嵌合部で、前記フィルム張力設定部が構成されているものとして構成できる。

また、本発明の流体制御装置は、前記凸部は、前記ダイヤフラム部に向く内壁面とこれと逆に向く外壁面とを有し、前記外壁面と前記凹部の内面との間隔が、前記内壁面と前記凹部の内面との間隔よりも狭く形成されており、
前記外壁面と前記凹部の内面とで、前記フィルム規制部が構成され、前記内壁面と前記凹部の内面とで、前記フィルム張力設定部が構成されているものである。

または、前記内側凸部は、前記ダイヤフラム部に向く内壁面とこれと逆に向く外壁面とを有し、前記外壁面と前記内側凹部の内面との間隔が、前記内壁面と前記内側凹部の内面との間隔よりも狭く形成されており、
前記外壁面と前記内側凹部の内面とで、前記フィルム規制部が構成され、前記内壁面と前記内側凹部の内面とで、前記フィルム張力設定部が構成されているものである。

本発明は、前記フィルムは、前記第１の面と前記第２の面に対し粘着性を有しているものが好ましい。

本発明の流体制御装置は、２枚のプレートの間にフィルムを挟み込んで２枚のプレートを接合するだけで、流路に対向するフィルムのダイヤフラム部を撓みや皺が無い状態で、適正な張力で張設することができる。

本発明の第１の実施の形態の流体制御装置を示す平面図、図１に示す流体制御装置が上下に分離された状態を示す断面図、流体制御装置が接合された状態を示すものであり、図１をＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した断面図、図２のＩＶ矢視部分の拡大断面図、本発明の第２実施の形態の流体制御装置を示す平面図、

図１ないし図４に示す本発明の第１の実施の形態の流体制御装置１は、マイクロ流路装置の一部を構成し、流体の流量の制御のために使用される。

図２と図３に示すように、流体制御装置１は第１のプレート２と第２のプレート３、ならびに両プレート２，３の間に挟まれたフィルム４とを有している。第１のプレート２と第２のプレート３は、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）樹脂で形成されている。フィルム４はシリコーン樹脂などのように、可撓性と弾性を有し且つ表面が軽い粘着性を有する樹脂材料で形成されている。

流体制御装置１は生化学の反応実験などに使用されるものである。そのため、接着剤が使用されることなく、第１のプレート２と第２のプレート３ならびにフィルム４は、図３に示すように面接合された状態で保持金具などで保持されて使用される。

図２と図３に示すように、第１のプレート２には、接合平面２ｂと、この接合平面２ｂよりも一段低く形成された第１の平面２ａとが形成されている。第１の平面３ａは、フィルム４の形状（円形状）と同じ領域に形成され、第１の平面２ａと接合平面２ｂとの段差の深さ寸法Ｄは、フィルム４の厚さ寸法Ｔと同じか、またはやや浅く形成されている。フィルム４の図示下面は第１の平面２ａに設置される。

第２のプレート３には、第２の平面３ａが形成されている。フィルム４を挟んだ状態で第１のプレート２と第２のプレート３とが面接合されると、第２の平面３ａは、第１のプレート２の接合平面２ｂに面接合されるとともに、フィルム４の図示上面に当接する。フィルム４は、第１の平面２ａと第２の平面３ａとの間に挟持されて保持される。

第１のプレート２の中央部に第１の凹状流路５ａが形成されている。第１の凹状流路５ａは、第１の平面２ａから窪むように形成されている。第２のプレート３の中央部にも、第２の平面３ａから窪む第２の凹状流路５ｂが形成されている。第１のプレート２と第２プレート３とが組み合わされると、第１の凹状流路５ａと第２の凹状流路５ｂとが対向する。図１に示すように、両凹状流路５ａ，５ｂの平面形状は円形である。

図３に示すように、第１のプレート２と第２のプレート３との間に挟まれているフィルム４の一部は、第１の凹状流路５ａと第２の凹状流路５ｂとの境界部に位置するダイヤフラム部４ａとなっている。ダイヤフラム部４ａは、第１の凹状流路５ａと第２の凹状流路５ｂの双方に対向（対面）している。

第１のプレート２には、第１の凹状流路５ａに通じる一対の連通流路６ａ，６ｂが形成され、第２のプレート３には、第２の凹状流路５ｂに通じる連通流路７が形成されている。第１のプレート２の下面に下部プレートが面接合されて、第１のプレート２と下部プレートとの間に、前記連通流路６ａ，６ｂのそれぞれに通じる流路が形成される。第２のプレート３の上面に上部プレートが面接合され、第２のプレート３と上部プレートとの間に、前記連通流路７に通じる流路が形成される。

図２と図３に示すように、第１の凹状流路５ａと第２の凹状流路５ｂの外側で前記ダイヤフラム部４ａよりも外周側では、第１のプレート２に、第１の平面２ａから窪む内側凹部１１が形成され、第２のプレート３に、第２の平面３ａから突出する内側凸部１２が形成されている。図１に示すように、内側凹部１１と内側凸部１２は、第１の凹状流路５ａと第２の凹状流路５ｂの周囲全周を囲むように連続するリング形状である。第１のプレート２と第２のプレート３とが面接合されると、フィルム４のダイヤフラム部４ａを囲む外周部分が内側凹部１１と内側凸部１２との間に挟み込まれる。

内側凹部１１と内側凸部１２よりもさらに外周側では、第１のプレート２に、第１の平面２ａから窪む外側凹部１３が形成され、第２のプレート３に、第２の平面３ａから突出する外側凸部１４が形成されている。図１に示すように、外側凹部１３と外側凸部１４の平面形状は部分円弧形状である。外側凹部１３と外側凸部１４は、第１の凹状流路５ａと第２の凹状流路５ｂの中心Ｏに対して均等な位置間隔で、すなわち中心Ｏに対して等角度の間隔で配置されている。第１のプレート２と第２のプレート３とが面接合されると、フィルム４のさらに外周部分が外側凹部１３と外側凸部１４との間に挟み込まれる。

図２に示すように、外側凸部１４の第２の平面３ａからの突出高さ寸法Ｈ２は、内側凸部１２の第２の平面３ａからの突出高さ寸法Ｈ１よりも大きくなっている。さらに、外側凸部１４の幅寸法Ｗ２は、内側凸部１２の幅寸法Ｗ１よりも小さく形成されている。ここでの幅寸法Ｗ１，Ｗ２は、前記中心Ｏからの半径方向での寸法である。これに合わせて、
外側凹部１３は内側凹部１１よりも深く形成され、外側凹部１３は内側凹部１１よりも開口幅寸法が狭く形成されている。

外側凹部１３と外側凸部１４との嵌合構造によって、第１のフィルム規制部が構成され、内側凹部１１と内側凸部１２との嵌合構造によって、第２のフィルム張力設定部が構成されている。

図４に、内側凹部１１と内側凸部１２とが拡大して示されている。内側凸部１２は、第１の凹状流路５ａと第２の凹状流路５ｂに向けられた内壁面１２ａと、これとは逆向きの外周側に向けられた外壁面１２ｂとを有している。図１に示すように、第１のプレート２と第２のプレート３は、複数箇所に形成された位置決め穴１５を基準として互いに位置決めされて接合される。図４では、第１のプレート２と第２のプレート３とが位置決めされたときの、内側凸部１２の内壁面１２ａと内側凹部１１の内側内面１１ａとの間隔がδ１で示され、内側凸部１２の外壁面１２ｂと内側凹部１１の外側内面１１ｂとの間隔がδ２で示されている。ここでの間隔δ１、δ２は、中心Ｏからの半径方向での間隔寸法を意味している。

内側凹部１１と内側凸部１２との嵌合部では、外壁面１２ｂと外側内面１１ｂとで、第２のフィルム規制部が構成され、内壁面１２ａと内側内面１１ａとで、第２のフィルム張力設定部が構成されている。

流体制御装置１は次のようにして組み立てられる。
図２に示すように、第１のプレート２の第１の平面２ａの上に円形のフィルム４が設置され、その上から第２のプレート３が接合される。第１のプレート２と第２のプレート３は、位置決め穴１５によって互いに位置決めされ、さらに互いに平行な状態を維持したまま面接合される。

図２から図３に示すように、外側凸部１４の突出高さ寸法Ｈ２は内側凸部１２の突出高さ寸法Ｈ１よりも大きいために、フィルム４は、最初に外側凹部１３と外側凸部１４との間に挟まれ、その次に、内側凹部１１と内側凸部１２との間に挟まれる。外側凸部１４は、内側凸部１２よりも突出高さ寸法ｈ２が大きく、幅寸法Ｗ２が内側凸部１２の幅寸法Ｗ１よりも小さい。そのため、外側凹部１３と外側凸部１４との嵌合部でのフィルム４の挟持力は、内側凹部１１と内側凸部１２との嵌合でのフィルムの挟持力よりも強くなる。

第１のプレート２と第２のプレート３とが接合される間に、第１のフィルム規制部である外側凹部１３と外側凸部１４とでフィルム４が挟持され、その後に、第１のフィルム張力設定部である内側凹部１１と内側凸部１２とでフィルム４が挟持される。外側凹部１３と外側凸部１４とでフィルム４が挟持されて中心Ｏ方向への滑りが規制された状態で、内側凹部１１と内側凸部１２とが嵌合するため、内側凹部１１と内側凸部１２とでフィルム４に対して張力が確実に与えられる。よって、第１の凹状流路５ａと第２の凹状流路５ｂとの中間部で、フィルム４の一部であるダイヤフラム部４ａを、撓みや皺が生じることなく強い張力で張ることができる。

図４に示すように、内側凹部１１と内側凸部１２との嵌合部では、内側凸部１２の外壁面１２ｂと内側凹部１１の外側内面１１ｂとの隙間δ２が狭く、内壁面１２ａと内側内面１１ａとの隙間δ２が広い。そのため、内側凸部１２と内側凹部１１とが嵌合するときに、外壁面１２ｂと外側内面１１ｂでのフィルム４の挟持力が、内壁面１２ａと内側内面１１ａとでの挟持力よりも大きくなる。

そのため、内側凸部１２が内側凹部１１に入り込むときに、第２のフィルム規制部となる外壁面１２ｂと外側内面１１ｂとでフィルム４が挟持され中心Ｏ方向への滑りが規制された状態で、第２のフィルム張力設定部である内側凸部１２の頂面から内壁面１２ａにかけての部分と内側凹部１１の底面から内側内面１１ａにかけての部分との間でフィルム４が挟み込まれることになり、ダイヤフラム部４ａに撓みや皺が生じることなく強い張力が与えられる。

特に、フィルム４が、シリコーン薄膜のように表面が軽い粘着性を有する樹脂で形成されていると、フィルム４が第１のプレート２の第１の平面２ａに貼り付いて保持される。この粘着力による保持力と、外壁面１２ｂと外側内面１１ｂによる挟持力の双方の力によって、フィルム４がしっかりと保持され、内側凸部１２が内側凹部１１に入り込むときに、フィルム４が中心Ｏに向かってずれにくくなる。そのため、内壁面１２ａと内側内面１１ａとの間でフィルム４を挟持したときに、ダイヤフラム部４ａに強い張力を与えることが可能になる。

図１と図３に示すように、第１のプレート２と第２のプレート３との間にフィルム４が挟まれて構成された流体制御装置１は、例えばマイクロポンプとして使用される。この場合には、第１のプレート２に形成された連通流路６ａが流体の導入口として機能し、連通流路６ｂが流体の排出口として機能する。第２のプレート３に形成された連通流路７から第２の凹状流路５ｂ内に正圧と負圧が与えられ、ダイヤフラム部４ａによって、第２の凹状流路５ｂに加圧力が繰り返して与えられる。この動作により、連通流路６ａから第１の凹状流路５ａに導かれた流体が、連通流路６ｂから外部に排出される。

また、流体制御装置１は、マイクロバルブとして使用することができる。第２のプレート３に形成された連通流路７から第２の凹状流路５ｂ内に流体による正圧が与えられると、ダイヤフラム部４ａで連通流路６ａ，６ｂが塞がれて、連通流路６ａ，６ｂでの流体の流れが遮断される。第２の凹状流路５ｂ内を減圧すると、連通流路６ａ，６ｂでの流体の流れが再開する。

また、第２の凹状流路５ｂの流体圧を一定にしておけば、連通流路６ａ，６ｂに流れる流体の圧力を一定に保つことも可能である。

上記実施の形態では、外側凸部１４で第１のフィルム規制部が構成され、内側凸部１２で第１のフィルム張力設定部が構成されている。また、図４に示すように、内側凸部の外壁面１２ｂで第２のフィルム規制部が構成され、内壁面１２ａで第２のフィルム張力設定部が構成されている。

ただし、本発明では、第１のフィルム規制部と第１のフィルム張力設定部のみが設けられ、図４に示す第２のフィルム規制部と第２のフィルム張力設定部が設けられていなくてもよい。逆に、図４に示す第２のフィルム規制部と第２のフィルム張力設定部だけが設けられ、第１のフィルム規制部と第１のフィルム張力設定部が設けられていなくてもよい。

また、外側凹部１３と外側凸部１４の平面形状は、図１のような部分円弧ではなく、リング形状に連続しているものであってもよい。

さらに、図５に示す第２の実施の形態の流路制御装置１０１のように、外側凹部１１３と外側凸部１１４の断面が円形であり、中心Ｏに対して等角度で配置されているものであってもよい。

１流体制御装置
２第１のプレート
２ａ第１の平面
３第２のプレート
３ａ第２の平面
４フィルム
４ａダイヤフラム部
５ａ第１の凹状流路
５ｂ第２の凹状流路
６ａ，６ｂ連通流路
１１内側凹部
１１ａ内側内面
１１ｂ外側内面
１２内側凸部（第１のフィルム張力設定部）
１２ａ内壁面（第２のフィルム張力設定部）
１２ｂ外壁面（第２のフィルム規制部）
１３外側凹部
１４外側凸部（第１のフィルム規制部）

本発明は、前記第１のプレートには、外側凹部と、それよりも前記ダイヤフラム部に近い内側凹部とが形成され、前記第２のプレートには、前記外側凹部に対向する外側凸部と、前記内側凹部に対向する内側凸部とが形成されて、前記外側凸部の前記第２の平面からの突出寸法が、前記内側凸部の前記第２の平面からの突出寸法よりも大きく、
前記外側凹部と前記外側凸部との嵌合部で、前記フィルム規制部が構成され、前記内側凹部と前記内側凸部との嵌合部で、前記フィルム張力設定部が構成されているものとして構成できる。

図２と図３に示すように、第１のプレート２には、接合平面２ｂと、この接合平面２ｂよりも一段低く形成された第１の平面２ａとが形成されている。第１の平面２ａは、フィルム４の形状（円形状）と同じ領域に形成され、第１の平面２ａと接合平面２ｂとの段差の深さ寸法Ｄは、フィルム４の厚さ寸法Ｔと同じか、またはやや浅く形成されている。フィルム４の図示下面は第１の平面２ａに設置される。

外側凹部１３と外側凸部１４との嵌合構造によって、第１のフィルム規制部が構成され、内側凹部１１と内側凸部１２との嵌合構造によって、第１のフィルム張力設定部が構成されている。

図２から図３に示すように、外側凸部１４の突出高さ寸法Ｈ２は内側凸部１２の突出高さ寸法Ｈ１よりも大きいために、フィルム４は、最初に外側凹部１３と外側凸部１４との間に挟まれ、その次に、内側凹部１１と内側凸部１２との間に挟まれる。外側凸部１４は、内側凸部１２よりも突出高さ寸法Ｈ２が大きく、幅寸法Ｗ２が内側凸部１２の幅寸法Ｗ１よりも小さい。そのため、外側凹部１３と外側凸部１４との嵌合部でのフィルム４の挟持力は、内側凹部１１と内側凸部１２との嵌合でのフィルム４の挟持力よりも強くなる。

図４に示すように、内側凹部１１と内側凸部１２との嵌合部では、内側凸部１２の外壁面１２ｂと内側凹部１１の外側内面１１ｂとの隙間δ２が狭く、内壁面１２ａと内側内面１１ａとの隙間δ１が広い。そのため、内側凸部１２と内側凹部１１とが嵌合するときに、外壁面１２ｂと外側内面１１ｂでのフィルム４の挟持力が、内壁面１２ａと内側内面１１ａとでの挟持力よりも大きくなる。

上記実施の形態では、外側凸部１４で第１のフィルム規制部が構成され、内側凸部１２で第１のフィルム張力設定部が構成されている。また、図４に示すように、内側凸部１２の外壁面１２ｂで第２のフィルム規制部が構成され、内壁面１２ａで第２のフィルム張力設定部が構成されている。

Claims

第１のプレートならびに第２のプレートと、両プレートの対面部に挟まれたフィルムとを有し、前記フィルムの一部で、前記第１のプレートと前記第２のプレートに形成された流路に対向するダイヤフラム部が形成されている流体制御装置において、
前記第１のプレートに、前記フィルムに当接する第１の平面と、前記ダイヤフラム部の外側に位置して前記第１の面から窪む凹部が形成され、前記第２のプレートに、前記フィルムに当接する第２の平面と、前記凹部に対向して前記第２の平面から突出する凸部が形成されて、前記凹部と前記凸部との嵌合部に前記フィルムの一部が挟み込まれており、
前記凹部と前記凸部との嵌合部では、前記ダイヤフラム部から離れた位置にフィルム規制部が構成され、それよりも前記ダイヤフラム部に近い位置にフィルム張力設定部が構成されており、前記フィルム規制部の方が前記フィルム張力設定部よりも、フィルムに対する挟持力が強いことを特徴とする流体制御装置。
前記第１のプレートには、外側凹部と、それよりも前記ダイヤフラム部に近い内側凹部とが形成され、前記第２のプレートには、前記外側凹部に対向する外側凸部と、前記内側凹部に対向する内側凸部とが形成されて、前記外側凸部の前記第２の平面からの突出寸法が、前記内側凸部の前記第２の平面からの突出寸法よりも大きく、
前記外側凹部と前記外側凸部との嵌合部で、前記フィルム規制部が構成され、前記内側凹部と前記外側凹部との嵌合部で、前記フィルム張力設定部が構成されている請求項１記載の流体制御装置。
前記凸部は、前記ダイヤフラム部に向く内壁面とこれと逆に向く外壁面とを有し、前記外壁面と前記凹部の内面との間隔が、前記内壁面と前記凹部の内面との間隔よりも狭く形成されており、
前記外壁面と前記凹部の内面とで、前記フィルム規制部が構成され、前記内壁面と前記凹部の内面とで、前記フィルム張力設定部が構成されている請求項１記載の流体制御装置。
前記内側凸部は、前記ダイヤフラム部に向く内壁面とこれと逆に向く外壁面とを有し、前記外壁面と前記内側凹部の内面との間隔が、前記内壁面と前記内側凹部の内面との間隔よりも狭く形成されており、
前記外壁面と前記内側凹部の内面とで、前記フィルム規制部が構成され、前記内壁面と前記内側凹部の内面とで、前記フィルム張力設定部が構成されている請求項２記載の流体制御装置。
前記フィルムは、前記第１の面と前記第２の面に対し粘着性を有している請求項１ないし４のいずれかに記載の流体制御装置。