WO2006100812A1

WO2006100812A1 - 科学現象評価装置の実験方法、及び科学現象評価装置

Info

Publication number: WO2006100812A1
Application number: PCT/JP2005/023615
Authority: WO
Inventors: Tomohide Ueyama; Yasunori Ichikawa
Original assignee: Fujifilm Corporation
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2006-09-28
Also published as: EP1862990A1; EP1862990A4; US20090305216A1

Abstract

　微細流路に液体を送液することで科学現象を評価する装置であって、安価で、環境負荷が小さく、先端技術を手軽に楽しむことができると共に、微細流路内の気泡詰まりによる実験の失敗をなくすことができる。実験液で実験を開始する前に、実験液とは反応しない不活性なダミー液を微細流路に勢いよく流し、微細流路内をダミー液で満たすことにより、微細流路内の空気を除去する前準備工程を行う。１回の前準備工程で微細流路内の空気が抜けきらずにダミー液中に気泡が見られる場合には、ダミー液中に気泡が存在しなくなるまで繰り返す。次に、入口側の液溜め部に実験液を供給するとともに、微細流路に満たされているダミー液を送液手段によって出口側の液溜め部に流動させることにより実験を開始する。

Description

明細書

科学現象評価装置の実験方法、及び科学現象評価装置

技術分野

[0001] 本発明は科学現象評価装置の実験方法、及び科学現象評価装置に係り、特に、安価で、環境負荷が小さぐ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、及びその装置で失敗しないように実験する実験方法に関する。

背景技術

[0002] 科学現象評価装置の一例である例えば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。）。

[0003] 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レ、る。

[0004] 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。

[0005] ところが、従来のこの種の科学現象評価装置として、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。

[0006] 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ぐ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ぐその分、薬品など使用量が多ぐ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。

[0007] 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。 [0008] このような事情に鑑みて、安価で、環境負荷が小さぐ先端技術を手軽に楽しむのに好適な科学現象評価装置として、本発明者らは、板状体の表面に断面積が微小な長溝が形成されている基板と、この基板の表面に密着配置され、長溝を覆うことにより基板に微細流路を形成する覆い板とよりなり、流路内の科学現象が視覚により認識可能となっている構成のものが有望と考えている。

特許文献 1 :特開 2000— 242162号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] し力しながら、このような微細流路に液体を送液することで科学現象を評価する装置の場合、液体を送液するときに、微細流路の途中に気泡が詰まることがある。気泡詰まりがあると、送液する液体が乱れて定常状態を得ることが難しいために、科学現象を正しく評価できないという問題がある。更に、微細流路に気泡が詰まることによる実験の失敗は、実験に要する時間、実験に使用する実験液などの無駄につながる。特に、微細流路に表面張力の大きな実験液を流すときに、微細流路内に気泡が詰まり易ぐ詰まった気泡は非常に取り除くことが難しい。

[0010] このように、微細流路に液体を送液することで科学現象を評価する装置は、使用する上で気泡の詰まりが問題とされることが多ぐこの問題を簡便な方法で解決することが望まれている。特に、小学生等の低年齢の生徒を対象として理科実験を行う場合には、微細流路に気泡を発生させずに送液することは非常に難しぐ誰が実験しても気泡の詰まりを発生させないで理科実験を行えるようにすることは、この種の科学現象評価装置の普及にとって極めて重要である。

[0011] 本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、微細流路に液体を送液することで科学現象を評価する装置であって、安価で、環境負荷が小さぐ先端技術を手軽に楽しむことができると共に、微細流路内の気泡詰まりによる実験の失敗をなくすことのできる科学現象評価装置の実験方法及び、科学現象評価装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0012] 本発明の第 1態様は、前記目的を達成するために、入口側と出口側とを構成する 2 つ以上の液溜め部を断面積力 Slmm²以下の微細流路で連通させて成る科学現象評価装置の実験方法であって、実験を行う実験液とは反応しなレ、不活性なダミー液を前記微細流路に流して満たすことにより前記微細流路内の空気を予め除去する少なくとも 1回の前準備工程と、前記入口側の液溜め部に実験液を供給するとともに、前記微細流路に満たされているダミー液を送液手段によって出口側の液溜め部に流動させることにより、前記実験液を微細流路に送り込む実験工程と、力ら成ることを特徴とする科学現象評価装置の実験方法を提供する。

[0013] 第 1態様によれば、失敗のない確実な実験ができるようにするために、実験液で実験を開始する前に、実験液とは反応しない不活性なダミー液、例えば水を微細流路に勢いよく流し、微細流路内をダミー液で満たすことにより、微細流路内の空気を除去する前準備工程を行う。 1回の前準備工程で微細流路内の空気が抜けきらずにダミー液中に気泡が見られる場合には、ダミー液中に気泡が存在しなくなるまで繰り返す。次に、入口側の液溜め部に実験液を供給するとともに、微細流路に満たされてレ、るダミー液を送液手段によって出口側の液溜め部に流動させることにより、実験液を微細流路に送り込み、実験を開始する。これにより、入口側の液溜め部に供給された実験液は、予め微細流路に満たされたダミー液の出口側への流動に連続して微細流路内に送り込まれるので、実験中に実験液に空気が混入することがなぐ気泡詰まりによる実験の失敗を防止できる。また、ダミー液としては、上記したように水を使用できる場合が多いので、本発明の実験方法によるコストアップも無視できる。

[0014] 本発明の第 2態様は、前記目的を達成するために、入口側と出口側とを構成する 2 つ以上の液溜め部を断面積力 Slmm²以下の微細流路で連通させて成る科学現象評価装置の実験方法であって、実験を行う実験液を前記微細流路に流して満たすことにより前記微細流路内の空気を予め除去する少なくとも 1回の前準備工程と、前記入口側の液溜め部に更に実験液を供給するとともに、前記微細流路に満たされている実験液を移送手段によって出口側の液溜め部に流動させることにより、前記供給した実験液を微細流路に送り込む実験工程と、から成ることを特徴とする科学現象評価装置の実験方法を提供する。

[0015] 第 2態様は、実験液そのものを微細流路内の空気を除去するダミー液として使用するものであり、水等のダミー液を使用する場合に比べれば実験液の無駄使いになる力前準備工程は通常 1回で済むので、微細流路内の気泡詰まりにより実験を何回も失敗するよりかは実験液を節約することができる。

[0016] 第 3態様は第 1態様又は第 2態様において、前記前準備工程と前記実験工程との間に、出口側の液溜め部の液を先細状の吸い取り材で吸い取ることにより、入口側の液溜め部の液面レベルを下げる吸取り工程を設けることを特徴とする。

[0017] 前準備工程を行うことによって、実験液を供給する入口側の液溜め部にもダミー液が溜まるので、実験液を入口側の液溜め部に供給するには、入口側の液溜め部の液面を下げる必要がある。この場合、ダミー液を微細流路に満たしたまま、入口側の液溜め部の液面を下げる必要がある。

[0018] 第 3態様によれば、出口側の液溜め部から吸い取り材で吸い取る吸引力で微細流路内の液が満たされたまま出口側に流動するので、入口側の液溜め部の液面が下がる。この吸い取りにおいて、先細状の吸い取り材で液を吸い取ることにより、液を極微量ずつ吸い取ることができるので、微細流路内の液まで吸い取ることがない。従つて、微細流路内に空気が混入することがない。この場合、吸い取り材を液に浸すときに空気が液に混入したとしても、出口側の液溜め部であり、実験液を微細流路に送り込んで実験を開始したときに、気泡は出口側に排出されるので問題ない。吸い取り材としては、ティッシュなどの紙を蹉つて先端部を細くした紙蹉りを好適に使用することができる。

[0019] 本発明の第 4態様は、前記目的を達成するために、板状体の表面に断面積力 Sim m²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を備え、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おり、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とともに、複数の前記流路には実験を行う実験液とは反応しなレ、不活性なダミー液が気泡が存在しなレ、状態で充填されてレ、ることを特徴とする科学現象評価装置を提供する。

[0020] 第 4態様によれば、この評価装置には、断面積が lmm²以下の微細な複数の流路が形成されており、これら流路の一端が一箇所の合流点で合流しており、更に複数の流路には実験を行う実験液とは反応しない不活性なダミー液が気泡が存在しない状態で充填されている。従って、実験液で実験を行うために微細流路に実験液を流すときに、微細流路に予め満たされたダミー液を実験液で追い出すようになる。これにより、微細流路内の気泡詰まりによる実験の失敗をしないように、分子の拡散現象等の科学現象を定性的に観察することができる。特に、小学生等の低年齢の生徒を対象として理科実験を行う場合には、微細流路に気泡を発生させずに送液することは非常に難しい。しかし、本発明のように、予め微細流路に気泡が存在しない科学現象評価装置を使用すれば、小学生でも実験を失敗せずに行うことができる。

[0021] また、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）、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。尚、実験液を微細流路に流すための送液方法としては、ボンプ等を使用した加圧又は減圧による送液方法を使用できる。

[0022] なお、微細な流路の断面積としては、 lmm²以下が好ましぐ 0. 0025〜0. 64m m²力 Sより好ましく、 0. 01〜0. 25mm²力最も好ましレヽ。

[0023] また、「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。

[0024] 本発明の第 5態様は、前記目的を達成するために、板状体の表面に断面積が lm m²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を備え、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おり、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とともに、複数の前記流路には実験を行う実験液とは反応しない不活性なダミー液が気泡が存在しない状態で充填され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。

[0025] 第 5態様によれば、この評価装置には、断面積が lmm²以下の微細な 3本の流路が形成されており、これら流路の一端が一箇所の合流点で合流しており、更に複数の流路には実験を行う実験液とは反応しない不活性なダミー液が気泡が存在しない状態で充填されている。これにより、微細流路内の気泡詰まりによる実験の失敗をしないように、分子の拡散現象等の科学現象を定性的に観察することができる。また、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。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。

[0026] 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）、等各種の現象を含むものである。

[0027] 第 6態様は第 4態様又は第 5態様において、前記複数の液溜め部のロを栓により着脱自在に封止し、前記流路に前記ダミー液が充填された状態で販売されることを特徴とする。

[0028] このように、科学現象評価装置の複数の液溜め部のロを栓により着脱自在に封止し、流路にダミー液が充填された状態で販売すれば、購入して実験する実験者は、実験に先立って流路の空気抜きを行う必要がない。これにより、実験者が小学生のように低年齢の者であっても流路における気泡の詰まりが原因で実験を失敗することがない。

[0029] 第 7態様は第 6態様において、前記栓はテープで前記覆い板に固定されていることを特徴とする。

[0030] このように、液溜め部の口を封止する栓をテープで覆い板に固定しておけば、販売途中で栓が外れてダミー液が漏れてしまうことを防止できる。

[0031] 第 8態様は第 6態様において、前記栓と前記液溜め部の口とはネジ構造によって固定されてレヽることを特徴とする。

[0032] このように、液溜め部の口を封止する栓と液溜め部の口とはネジ構造によって固定しておけば、販売途中で栓が外れてダミー液が漏れてしまうことを防止できる。

[0033] 第 9態様は第 6態様〜第 8態様の何れ力 1において、前記ダミー液は予め脱泡処理された、純水、エタノール、及び純水とエタノールとの混合液の何れかであることを特徴とする。

[0034] ダミー液に必要な性質として、気泡が存在しないこと、実験液と反応しないこと、販売されて使用されるまでに腐敗しないこと、及び実験液との置換性が高いことの要件が重要であり、予め脱泡処理された、純水、エタノール、及び純水とエタノールとの混合液の何れかであれば、これらの要件を満足する。尚、滅菌処理した純水やエタノールを使用すれば更によい。

発明の効果

[0035] 以上説明したように、本発明によれば、安価で、環境負荷が小さぐ先端技術を手軽に楽しむことができると共に、微細流路内の気泡詰まりによる実験の失敗をなくすことのできる。

図面の簡単な説明

[0036] [図 1]図 1は、本発明の科学現象評価装置の実験方法に使用する装置構成を説明する平面図である。

[図 2]図 2は、図 1の部分拡大断面図である。

[図 3]図 3は、図 1の部分拡大断面図である。

[図 4]図 4は、 (a)が本発明の実験方法の手順のうち前準備工程を示す断面図であり、（b)が本発明の実験方法の手順のうち前準備工程を示す平面図であり、（c)が本発明の実験方法の手順のうち前準備工程を示す断面図である。

[図 5]図 5は、 (a)が本発明の実験方法の手順のうち吸取り工程を示す断面図であり、 (b)が本発明の実験方法の手順のうち吸取り工程を示す平面図であり、（c)が本発明の実験方法の手順のうち吸取り工程を示す断面図である。

[図 6]図 6は、（a)乃至（d)が本発明の実験方法の手順のうち実験工程を示す断面図である。

[図 7]図 7は、多流路を有する科学現象評価装置の一例を説明する平面図である。

[図 8]図 8は、 (a)乃至（c)が本発明の科学現象評価装置の一例である理科実験教材の販売形態について説明する説明図である。

[図 9]図 9は、（a)及び (b)が本発明の科学現象評価装置の一例である理科実験教材の販売形態において、栓と液溜め部の口とをネジ構造で固定した場合の説明図である。

符号の説明

[0037] 10…理科実験教材、 12…基板、 14、 16、 20…長溝、 14A…第 1の流路、 16Α- · - 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、 2 6…第 2液溜め部、 28…第 3液溜め部、 32…実験液用スポイト、 34…実験液、 35· · · ダミー液、 36…テープ、 37…紙蹉り、 38…指、 60…栓、 61…ネジ構造、 62…テープ

発明を実施するための最良の形態

[0038] 以下、添付図面に従って、本発明に係る科学現象評価装置の実験方法、及び科学現象評価装置の好ましい実施の形態について詳説する。

[0039] 図 1は、本発明に係る科学現象評価装置の実験方法を行う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。

[0040] すなわち、理科実験教材 10は、板状体の表面に断面積力 Slmm²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。

[0041] 上記の長溝（14、 16及び 20)により形成される微細流路（14A、 16A及び 20A)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。

[0042] 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 28Aと、覆い板 22の同一箇所に形成された円柱状空洞部 28Bよりなる第 3液溜め部 28と連通してレ、る。

[0043] 第 1液溜め部 24及び第 2液溜め部 26の容積は、 5〜5000mm³であることが好ましく、第 3液溜め部 28の容積は、 10〜： 10000mm³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。

[0044] 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 X 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。

[0045] 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 'メタアタリレート（PMMA)、ポリ塩ィ匕ビニル (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。

[0046] 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、 lmm²以下力 S好ましく、 0. 0025〜0. 64mm²力り好ましく、 0. 01〜0. 25mm² 最も好ましい。この長溝（14、 16及び 20)の断面形状は、特に制限はなぐ矩形（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。

[0047] 覆い板 22の材質としては、特に制限はなレ、が、微細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)、ポリメチルメタアタリレート（PMMA)、ポリ塩化ビュル (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)、トリァセチルセルロース（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。

[0048] 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、微細流路（14A、 16A及び 20A)に対応する表面を蒲鋅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。 [0049] 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。

[0050] 基板 12の表面（長溝が形成される面）及び覆レ、板 22の裏面（基板 12に密着する面 )は、微細流路（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レ、ることが好ましレ、。

[0051] 次に、基板 12の形成方法について説明する。先ず、基板 12の長溝（14、 16及び 2 0)の反転形状が表面に形成されている反転型板を準備する。この反転型板の表面には、更に円柱状空洞部 28Aの反転形状を形成しておく必要がある。この反転型板の製造方法としては、マシユングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチングカ卩ェ等、公知の各種カ卩ェ方法が採用できる。

[0052] 次いで、この反転型板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。

[0053] 次いで、反転型板の表面に樹脂材を塗布し、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ュル (PVC)のような熱可塑性樹脂である場合には、反転型板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。

[0054] そして、硬化後の樹脂材を反転型板より剥離する。

[0055] このような方法によれば、長溝が精度よぐかつ、安価に形成でき、評価装置を安価にできる。

[0056] 次に、本発明に係る理科実験教材 10の実験方法について説明する。

[0057] 先ず、理科実験教材 10としては、以下の:!）〜 12)の部材をセットとして提供する必要がある。

[0058] 1)反転型板

2)基板 12用の樹脂材

3)基板 12形成用の型枠

(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)実験液用スポイト

(テスト目的に応じて、必要な実験液 (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)実験液出入り口封止用テープ

(実験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。実験液をピペットで第 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。 )

7)針

(実験液を供給する場合、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

(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、このケーシングには実験目的に沿った各種機能、たとえば、微細流路（14A、 16A及び 20A)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。

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。 )

10)試験用実験液 (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。実験液としては、たとえば、色素、又は、染料や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力この基板 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。

[0060] 上記の理科実験教材 10を用いた本発明の実験方法は、前準備工程と、吸取りェ程と、実験工程との 3工程によって構成される。

[0061] 前準備工程では、図 4に示すように、実験を行う実験液 34 (図 6参照）とは反応しない不活性なダミー液 35を微細流路（14A、 16A及び 20A)に流して満たすことにより微細流路（14A、 16A及び 20A)内の空気を予め除去する操作を少なくとも 1回行う。即ち、図 4 (c)に示すように、口径の大きな出口側の第 3液溜め部 28に、実験に用いる実験液 34 (例えば染料）に対して不活性であり相溶性のあるダミー液 35 (例えば水）を供給し、第 3液溜め部 28の上から指 38で強く加圧することで、図 4 (b)に示すようにダミー液 35を勢い良く入口側の第 1及び第 2液溜め部 24、 26に向かって流し（矢印参照）、微細流路（14A、 16A及び 20A)内をダミー液 35で満たす（図 4 (a)、 (c ) )。これにより、微細流路（14A、 16A及び 20A)内の空気が除去される力満たされたダミー液 35中に気泡が見られるようであれば、空気が完全に抜けきつていないので、気泡がなくなるまで、前準備工程を繰り返す。これにより、実験を開始する前の微細流路（14A、 16A及び 20A)から完全に空気を抜くことができる。また、実験液 34 を微細流路（14A、 16A及び 20A)に送液する前に、微細流路（14A、 16A及び 20 A)内をダミー液 35で満たしておけば、微細流路（14A、 16A及び 20A)の壁面の濡れ性が向上するので、実験途中で不本意で混入した気泡が詰まり難くなる。

[0062] 次に、吸取り工程を行う。この吸取り工程は、前準備工程を行うことによって、実験液 34を供給する入口側の第 1及び第 2液溜め部 24、 26にもダミー液 35が溜まるので、実験液 34を供給するために第 1及び第 2液溜め部 24、 26の液面を下げる必要があるためである。この場合、ダミー液 35を微細流路（14A、 16A及び 20A)に満たしたまま、即ち空気が微細流路（14A、 16A及び 20A)に混入しないように第 1及び第 2液溜め部 24、 26の液面を下げる必要がある。このこと力、ら、吸取り工程では、図 5 (c)に示すように、紙蹉り 37の細く蹉つた先端部 37Aを、流路 20Aに付かないように出口側の第 3液溜め部 28に浸して、ダミー液 35を紙緩りで吸い取ることにより、ダミ一液 35を極微量ずつ吸い取る。これにより、図 5 (b)に示すように、紙蹉り 37の吸い取り力で微細流路（14A、 16A及び 20A)内のダミー液 35が満たされたまま出口側に流動（矢印参照）するので入口側の第 1及び第 2液溜め部 24、 26の液面を図 5 (a) のように下げること力 Sできる。この場合、万が一吸い取り操作の際に空気がダミー液 3 5に混入しても、出口側の液溜め部 28であり、実験液 34を微細流路（14A、 16A及び 20A)に送り込んで実験を開始したときに、気泡は出口側の第 3液溜め部 28から排出されるので問題ない。従って、紙蹉り 37を使って入口側の第 1及び第 2液溜め部 24、 26からダミー液 35を吸い取っても空気が混入しないようにできる場合には、そのようにしてもよい。尚、入口側の第 1及び第 2液溜め部 24、 26に注入口がピッタリ嵌まる注射器（図示せず)を使用して実験液 34を注入できる場合には、吸取り工程を特に設けなくてもよい。

[0063] 次に、実験工程を行う。即ち、図 6 (a)、 (b)に示されるように、実験液用スポイト 32 により第 1液溜め部 24 (又は第 2液溜め部 26)に所定量の実験液 34を供給する。この場合、微細流路（14A、 16A及び 20A)にはダミー液 35が満たされている。

[0064] 次いで、図 6 (c)に示されるように、実験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。

[0065] 次レ、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、実験液 34を流路 14A (又は 16A)に送り込むことによりなされる加圧式の送液手段である。また、指先 38でテープ 36を押して下方に橈ませ、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、実験液 34を流路 1 4A (又は 16A)に送り込むことによりなされる加圧式の送液手段であってもよレ、。更には、第 3液溜め部 28内の空間を減圧することによる吸引力で入口側の第 1及び第 2 液溜め部 24、 26に供給した実験液 34を流路 14A (又は 16A)に吸い込む減圧式の送液手段でもよい。

[0066] 送液手段が加圧式の場合には、実験液 34は、予め微細流路（14A、 16A及び 20 A)に満たされているダミー液 35を微細流路（14A、 16A及び 20A)力ところてん式に出口側に押し出すようにして、微細流路（14A、 16A及び 20A)に送り込まれる。また、送液手段が減圧式の場合には、実験液 34は、予め微細流路（14A、 16A及び 2 OA)に満たされているダミー液 35の出口側への流動に誘引されて、ダミー液の流動に連続して微細流路（14A、 16A及び 20A)内に導かれる。従って、実験中に、実験液 34に空気が混入することがなレ、。これにより、実験液 34を微細流路（14A、 16A 及び 20A)に送り込んで実験を開始したときに、実験液中に空気が混入して気泡が形成されたり、微細流路（14A、 16A及び 20A)の壁面に気泡が残存したりしないようにできる。

[0067] 従って、送液する実験液 34の流れが気泡詰まりにより乱れることがなぐ定常状態を得ることができるので、実験を失敗することなぐ科学現象を正しく評価することができる。

[0068] また、理科実験教材 10は上述したように、生徒に手作りさせるためのセットであるが、完成品として販売することもできる。このように完成品として販売する理科実験教材 10は、微細流路（14A、 16A及び 20A)に、実験を行う実験液 34とは反応しない不活性なダミー液 35を気泡が存在しない状態で予め充填されているようにするとよい。この場合、 3つの液溜め部 24、 26、 28にもダミー液 35を満たした状態でテープ等により蓋をしておけば、実験を行うまでの間に空気が混入することがなレ、。そして、実験を行うときにテープを剥がして上記した吸取り工程から開始すればよい。これにより、小学生のような低年齢の生徒であっても、気泡詰まりによる実験の失敗を確実になくすことができる本発明の科学現象評価装置を提供することができる。

[0069] なお、科学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。

[0070] 以上は、理科実験教材 10として、入口側に 2つの液溜め部 24、 26を設け、出口側に 1つの液溜め部 28を設けた場合であるが、多流路を有する理科実験教材 10の場合には、本発明の実験方法は特に有効である。

[0071] 図 7は、多流路を有する理科実験教材 10の一例であり、入口側に形成された 5つの夜溜め咅 40、 42、 44、 46、 48力ら延びた各流路 50、 52、 54、 56、 58力 S合流咅 1 8において 1本の流路 20Aに合流して第 3液溜め部 28に至る構成である。このような多流路を有する理科実験教材 10を、出口側の液溜め部 28の減圧により送液する場合には、合流部 18前で気泡ができ易レ、。これは減圧したときに多数の流路 50〜58 のうちの一つの流路に実験液 34が開通すると、開通した流路は抵抗が低くなり、気泡のある流路部分の抵抗が高くなるためである。この気泡を取り除くためには、この抵抗に打ち勝つだけの減圧が必要になる。一般的には小さな気泡であっても流路に対する相対的な比率は大きぐ送液の流れを乱す原因となる。このように、微細流路に一度気泡が詰まってしまうと、これを取り除くために入口側の液溜め部 40、 42、 44 、 46、 48から大流量で加圧送液するカ出口側の液溜め部 28を減圧して大きな吸引力を得て大流量で減圧送液するかが必要であり、実験液 34の多量な無駄になる。

[0072] このような、多流路の理科実験教材 10において、前処理工程で微細流路 50〜58 及び 20Aにダミー液 35が満たされたときに、仮に流路 50に気泡が残存した場合、 5 つの液溜め部 40〜48のうちの液溜め部 40と出口側の液溜め部 28の 2つの液溜め部 40、 20のみを開放し、残りの 4つの液溜め部 42〜48は蓋をして密閉する。この状態で、出口側の液溜め部 28からダミー液 35を微細流路 20Aに流し込むことにより、流路 50に残存した気泡を確実に除去することができる。また、複数の流路、例えば流路 50、 54、 58に気泡が残存した場合には、全ての液溜め部 40〜48及び 28を開放しておき、出口側の液溜め部 28から入口側の複数の液溜め部 40〜48に向かつて大流量のダミー液 35を勢いよく流すことによって、複数の流路に残存した気泡を一気に除去することができる。尚、吸取り工程及び実験工程の操作は少流路であれ多流路であれ同じである。

[0073] また、図 1及び図 7の何れの装置の場合にも、微細流路に表面張力の大きな実験液 34を流すときに、微細流路内に気泡が詰まり易ぐ詰まった気泡は非常に取り除くことが難しいことから、微細流路内の壁面に実験液 34との親和性を向上させるための特殊処理をすることも一つの方法である。しかし、微細流路内の壁面に特殊処理することは、技術的には可能である力処理に時間とコストがかかる。これに対し、上述した微細流路にダミー液を満たす方法であれば、極めて簡便且つ安価に行うことができ、より好ましい。

[0074] 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生徒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。

[0075] 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、複数の実験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。

[0076] 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ぐ各種の態様が採り得る。

[0077] 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及び覆い板 22に形成しているが、これ以外の態様、たとえば、全ての液溜め部を基板 12及び覆い板 22に形成する態様も採用できる。

[0078] 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、あるいは図 7のような構成も採用できる。

[0079] 更に、実験液 (試薬)を液溜め部（24、 26等）に供給するために、実験液用スポイト 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。

[0080] 次に、上記の理科実験教材 10を販売するための販売形態について説明する。

[0081] 図 8に示すように、理科実験教材 10は、微細流路（14A、 16A及び 20A)及び第 1 〜第 3の液溜め部（24、 26、 28)に気泡を含まないダミー液 35が充填され、第 1〜第 3の液溜め部（24、 26、 28)の口が栓 60によって着脱自在に封止された状態で販売される。この場合、販売途中で栓 60が外れてダミー液 35が漏れてしまうことがないように、栓 60はテープ 62で覆い板 22に固定されていることが好ましい。この場合、使用するテープ 62は、糊残りのない剥離性の高いテープを使用することが好ましい。使用する栓 60としては、第 1〜第 3の液溜め部（24、 26、 28)の口を密封できるようにゴム栓、コルク栓のように弾性を有する材質の栓が好ましレ、。

[0082] また、図 9に示すように、栓 60の下部外周に雄ネジを刻設し、第 1〜第 3の液溜め部（24、 26、 28)の口の内周に雌ネジを刻設し、栓 60と口とをネジ構造 61で固定するようにしてもよレ、。尚、栓 60の外周と口の内周に刻設するネジは雄と雌を逆にしてもよレ、。このようにネジ構造 61で固定すれば、テープ 62を使用しないことも可能である。この場合の栓 60の材質としては、ネジを刻設できるように、覆い板 22と同じ材質のものを使用することが好ましレ、。

[0083] また、理科実験教材 10全体をシュリンクフィルムで包んだ後、熱でシュリンクさせることで理科実験教材 10全体をラップしてもよぐパラフィルムのような密封フィルムで理科実験教材 10全体をラップしてもよレ、。

[0084] ダミー液 35としては、気泡が存在しないこと、実験液と反応しないこと、販売されて使用されるまでに腐敗しないこと、及び実験液との置換性が高いことの要件が重要であり、予め脱泡処理された、純水、エタノール、及び純水とエタノールとの混合液の何れかであれば、これらの要件を満足する。尚、滅菌処理した純水やエタノールを使用すれば更によい。

[0085] また、ダミー液 35を微細流路（14A、 16A及び 20A)に充填させる前には、本発明の実験方法の前準備工程で説明した微細流路（14A、 16A及び 20A)の空気抜きを少なくとも 1回実施する必要がある。

[0086] このように、理科実験教材 10の複数の液溜め部（24、 26、 28)のロを栓 60により着脱自在に封止し、流路（14A、 16A及び 20A)にダミー液 35が充填された状態で販売すれば、購入して実験する実験者は、上述した前準備工程により流路（14A、 16 A及び 20A)の空気抜きを行う必要がない。これにより、実験者が小学生のように低年齢の者であっても流路（14A、 16A及び 20A)における気泡の詰まりが原因で実験を失敗することがない。また、実験に先立って流路（14A、 16A及び 20A)の抜きを行う必要がないので、理科実験教材 10の使用に際して煩わしさがなレ、。

Claims

請求の範囲

[1] 入口側と出口側とを構成する 2つ以上の液溜め部を断面積力 Slmm²以下の微細流路で連通させて成る科学現象評価装置の実験方法であって、

実験を行う実験液とは反応しない不活性なダミー液を前記微細流路に流して満たすことにより前記微細流路内の空気を予め除去する少なくとも 1回の前準備工程と、前記入口側の液溜め部に実験液を供給するとともに、前記微細流路に満たされてレ、るダミー液を送液手段によって出口側の液溜め部に流動させることにより、前記実験液を微細流路に送り込む実験工程と、から成ることを特徴とする科学現象評価装置を用いた実験方法。

[2] 入口側と出口側とを構成する 2つ以上の液溜め部を断面積力 Slmm²以下の微細流路で連通させて成る科学現象評価装置の実験方法であって、

実験を行う実験液を前記微細流路に流して満たすことにより前記微細流路内の空気を予め除去する少なくとも 1回の前準備工程と、

前記入口側の液溜め部に更に実験液を供給するとともに、前記微細流路に満たされている実験液を移送手段によって出口側の液溜め部に流動させることにより、前記供給した実験液を微細流路に送り込む実験工程と、力成ることを特徴とする科学現象評価装置を用いた実験方法。

[3] 前記前準備工程と前記実験工程との間に、出口側の液溜め部の液を先細状の吸い取り材で吸い取ることにより、入口側の液溜め部の液面レベルを下げる吸取り工程を設けることを特徴とする請求項 1又は 2の科学現象評価装置を用いた実験方法。

[4] 板状体の表面に断面積力 Slmm²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を備え、

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おり、

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とともに、複数の前記流路には実験を行う実験液とは反応しなレ、不活性なダミー液が気泡が存在しなレ、状態で充填されていることを特徴とする科学現象評価装置。

[5] 板状体の表面に断面積力 Slmm²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を備え、

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おり、

[6] 前記複数の液溜め部の口を栓により着脱自在に封止し、前記流路に前記ダミー液が充填された状態で販売されることを特徴とする請求項 4又は 5の科学現象評価装置。

[7] 前記栓はテープで前記覆い板に固定されていることを特徴とする請求項 6の科学現象評価装置。

[8] 前記栓と前記液溜め部の口とはネジ構造によって固定されていることを特徴とする請求項 6の科学現象評価装置。

[9] 前記ダミー液は予め脱泡処理された、純水、エタノール、及び純水とエタノールとの混合液の何れかであることを特徴とする請求項 6〜8の何れか 1の科学現象評価装置。