JP4673213B2 - マイクロバルブユニット - Google Patents

Description

本発明は、微細な流路（マイクロ流路）の開閉を行うマイクロバルブユニットに関し、詳しくは、複数のバルブに対して同時に開閉制御することで、マイクロ流路内を流れる流体の送液制御を行うマイクロバルブユニットに関する。

近年、Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ、マイクロリアクターチップ等と呼ばれる小型分析システムの開発が盛んに行われている。これは、流路や反応槽、バルブ、センサ等の要素構造を小さな基板（チップ）に集積した構成であり、この内部に流れる気体や液体状の試料に対して分析処理を行うものである。このような小型分析システムの一例として、樹脂製チップ内に設けられた微細な流路に血液を流し、臨床検査を行うバイオチップが挙げられる（例えば、非特許文献１参照。）。このような小型分析システムを用いると、少量の試料で高速に分析を行うことができることから、試料を提供する側の負担を少なくすることができる。このため、特に生体への応用が注目を集めている。

この小型分析システムの構成要素の一つとして、チップに内蔵された小型のバルブ（マイクロバルブ）が提案されている。一例を挙げると、電極間の静電力で弾性薄膜を変形させ、流路を開閉する技術（特許文献１参照。）、チップ外に設置したアクチュエータで流路の一部を押しつぶして、流路を開閉する技術（特許文献２参照。）等が知られている。このようなマイクロバルブを用いると、チップ内で試料の流れを制御できることから、試料を意図したタイミングでセンサに導くことができる。

しかし、小型分析システムの分野では、近年、上記のような単純な開閉制御だけではなく、より高度な流体制御が求められている。例えば、一つのシステムに対し多種の試料を供給し、任意の順序で試料をセンサに送液し、分析を行うことが求められる。これを実現するには、多種の試料の中から特定の試料のみをセンサに送液する切り替え制御工程や、試料同士が混合することなく、特定の試料をセンサに送液する制御工程等が必要とされる。

このような高度な流体制御を実現するためには、複数の流路と、この流路の動きを制御する多数のマイクロバルブが必要になる。そこで、小型構成を維持すると共に、高密度に配置した多数のマイクロバルブを、個別に精度よく制御する必要があった。
特開２００４−２９１１８７号公報 特開２００２−２２８０３３号公報 Ｊ．Ａｕｇｅ ｅｔ ａｌ．， Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ， ２６−２７（１９９５）１８１−１８６

しかしながら、前述のマイクロバルブを高密度に配置すると、前者のマイクロバルブは隣り合う電極同士が干渉するため、意図した動作ができなくなる。また、後者はひとつのマイクロバルブに対し、バルブ駆動用のアクチュエータがひとつ必要となる。アクチュエータのサイズとその発生力はほぼ比例関係にあることから、発生力を維持したまま、複数のアクチュエータを小型化し、高密度に配置することは難しく、ひいてはマイクロバルブを高密度に配置できないという問題があった。

そこで、本発明は、小型で、かつ高密度に配置された複数のマイクロバルブを個別に制御できるマイクロバルブユニットを提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、流路内の流体の流れを制御するマイクロバルブユニットであって、複数の分岐流路が結合して形成された前記流路と、前記分岐流路中に設けられるとともに、外部からの押圧力により前記分岐流路の開閉を行うバルブとからなる流路チップと、凸形状もしくは凹形状に形成された端面を有し、かつ前記端面が前記バルブに押圧力を与える加圧部を有するとともに、前記端面を移動させることにより所望の前記バルブの開閉を行う駆動手段と、からなることを特徴とするマイクロバルブユニットを提供する（第一の構成）。

第一の構成において、前記バルブが円弧状に配置され、かつ前記加圧部も前記バルブの配置に対応するように円弧状に形成された前記端面を有し、前記駆動手段の駆動により前記加圧部の前記端面が前記バルブの配置方向に回転して前記バルブの開閉を行うことを特徴とするマイクロバルブユニットを提供する（第二の構成）。

第一の構成において、前記バルブが一直線状に配置され、かつ前記加圧部も前記バルブの配置に対応するように直線状に形成された板状の前記端面を有し、前記駆動手段の駆動により前記加圧部の前記端面が前記バルブの配置方向に移動して前記バルブの開閉を行うことを特徴とするマイクロバルブユニットを提供する（第三の構成）。

第二もしくは第三の構成において、前記バルブは、前記分岐流路中に設けられた弁室と該弁室の側壁を構成する弾性変形膜とからなり、前記弾性変形膜が前記加圧部の前記端面による前記押圧力を受けて初期状態から変形することにより前記分岐流路の遮断を行い、また前記押圧力が排除された場合、前記弾性変形膜が前記初期状態に復帰することにより前記分岐流路が開口することを特徴とするマイクロバルブユニットを提供する（第四の構成）。
第四の構成において、前記分岐流路は複数の短流路からなり、第一の前記短流路と前記弾性変形膜に垂直な前記弁室の一面とが接続され、第二の前記短流路と前記弾性変形膜と対向する前記弁室の一面とが接続されることで、前記分岐流路と前記バルブとを接続することを特徴とするマイクロバルブユニットを提供する（第五の構成）。

本発明のマイクロバルブユニットによると、ひとつのアクチュエータで高密度に配置された複数のマイクロバルブを個別に制御できるため、マイクロバルブが設けられた流路チップ内に流れる多種の試料に対して複雑な流体制御が行えると同時に、流路チップの小型構成を維持することが可能になる。

以下、本発明について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１に本発明のマイクロバルブユニット１００を、図２にマイクロバルブユニット１００の構成要素である流路チップ１の構造を示す。

本発明のマイクロバルブユニット１００は、流路チップ１と駆動手段６から構成されている。

まず、流路チップ１について説明する。流路チップ１は、例えばガラスとシリコーン樹脂（ポリジメチルシロキサン、以下ＰＤＭＳと記す。）などを積層した複合材からなる筐体部材により構成されており、この筐体部材内に各種の構成要素が形成されている。なお、駆動手段６と対向する流路チップ１の面はシリコーン樹脂などの弾性素材で構成されていることが望ましい。流路チップ１の外寸は、長さ（図１・水平方向）が２０〜１００［ｍｍ］程度、幅が１０〜２０［ｍｍ］程度、厚さが数［ｍｍ］程度である。

流路チップ１の内部には、三つの分岐流路１０ａ、１０ｂ、１０ｃが設けられ、これらの端部が一ヶ所で接続されて一つの流路を形成している。分岐流路１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、短流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃと、短流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃの端部に設けられた弁室１４ａ、１４ｂ、１４ｃと、弁室１４ａ、１４ｂ、１４ｃの一面に設けられた弾性膜１５ａ、１５ｂ、１５ｃと、弾性膜１５ａ、１５ｂ、１５ｃと対向する弁室１４の側面に接続された短流路１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、短流路１２ａ、１２ｂ、１２ｃと垂直に接続された短流路１３ａ、１３ｂ、１３ｃから構成されている。このような構成の３つの分岐流路１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、短流路１３ａ、１３ｂ、１３ｃの一端部が一カ所で接続され、また、短流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃの他端部は穴３１ａ、３１ｂ、３１ｃとそれぞれ接続されている。穴３１ａ、３１ｂは、流路チップ１の外部からそれぞれの短流路１１ａ、１１ｂに溶液を導くものであり、穴３１ｃはこれらの溶液を流路チップ１の外部に排出するものである。本実施の形態では、穴３１ｃの側から溶液を吸引することにより、穴３１ａもしくは穴３１ｂから溶液が供給されるように構成した。なお、穴３１ａ、３１ｂの側にポンプを設置して、溶液を流路チップ１に供給することも可能である。

駆動手段６は、加圧部６１と、加圧部６１に接続されたステッピングモータ６２と、ステッピングモータ６２に固定されたガイド６３およびバネ６４から構成されている。
加圧部６１は一端が塞がれた略円筒形状で、他端は円周方向に沿って凹凸構造が形成されている。この凹凸構造を有する端部が流路チップ１に接するよう設置されている。加圧部６１と、これと接続されたステッピングモータ６２とは、ガイド６３により流路チップ１の厚さ方向のみに運動が規定され、さらに、バネ６４により、加圧部６１が流路チップ１に対して加圧接触するように固定されている。

次に、流路を開閉する構造について図３を用いて説明する。図３では図２で説明した３分岐流路のうちのひとつの分岐流路を例として説明するが、他の分岐流路も同様な構成となっている。分岐流路１０ａに設けられた弾性膜１５ａは、外力が加わらなければ、図３（ａ）に示すように平坦な形状である。そのため、短流路１１ａと短流路１２ａとの間はつながった状態（開状態）である。ここで弾性膜１５ａを加圧部６１が加圧すると、図３（ｂ）に示すように、弾性膜１５ａが変形する。このため、短流路１１ａと短流路１２ａの間が遮断した状態（閉状態）となる。

ここで、３つの弾性膜１５ａ、１５ｂ、１５ｃの上に加圧部６１を配置する。なお、加圧部６１端部の円周は、弾性膜１５ａ、１５ｂ、１５ｃの配置から導かれる一つの円の円周とほぼ一致する。ステッピングモータ６２が加圧部６１を回転させ、加圧部６１に設けられた凹凸構造を流路チップ１に対して位置決めする。加圧部６１の凸部分（図４（ａ）に図示）が、バネ６４により弾性膜１５ａを加圧する。加圧された弾性膜１５ａのみが変形し、分岐流路１０ａのみが閉状態となる。このため、流路チップ１内では、分岐流路１０ｂ、１０ｃが開状態となり、試料を穴３１ｂから、穴３１ｃへと流すことが可能となる。また、加圧部６２を回転させ、凸部分で弾性膜１５ｂを加圧すると（図４（ｂ）参照）、分岐流路１０ｂのみが閉状態となり、試料を穴３１ａから穴３１ｃへと流すことが可能となる。なお、位置決め動作は、ステッピングモータ６２の駆動信号のみで可能であるが、ロータリーエンコーダーを加圧部６１に付加すれば、より高度の位置決めが可能となる。

したがって、加圧部６１の回転位置決めのみで、分岐流路の開閉が可能であり、任意の二分岐流路に対して試料の流れを制御できる。また、駆動手段一つで複数の分岐流路を開閉できることから、バルブを高密度配置し、流路チップの小型化が可能となる。

（実施の形態２）
図５に本発明のマイクロバルブユニット２００を、図６にマイクロバルブユニット２００の構成要素である流路チップ２の構造を示す。

なお、前述の実施の形態１と機能が共通する部分には同一符号を付し、その説明は割愛する。

本発明のマイクロバルブユニット２００は、流路チップ２と駆動手段２６から構成されている。
まず、流路チップ２について説明する。流路チップ２の内部には、三つの分岐流路１０ａ、１０ｂ、１０ｃと短流路１６が設けられている。分岐流路１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、短流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃと、短流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃの端部に設けられた弁室１４ａ、１４ｂ、１４ｃと、弁室１４ａ、１４ｂ、１４ｃの一面に設けられた弾性膜１５ａ、１５ｂ、１５ｃと、弾性膜１５ａ、１５ｂ、１５ｃと対向する弁室１４ａ、１４ｂ、１４ｃの側面に接続された短流路１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、短流路１２ａ、１２ｂ、１２ｃと垂直に接続された短流路１３ａ、１３ｂ、１３ｃから構成されている。このような構成の３つの分岐流路１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、短流路１３ａ、１３ｂ、１３ｃの端部が一カ所で接続され、短流路１６と接続している。
また、短流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃの他端部は穴３１ａ、３１ｂ、３１ｃとそれぞれ接続されている。また短流路１６の他端部も穴３１ｄと接続されている。穴３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、流路チップ２の外部から短流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃそれぞれに溶液を導くものであり、穴３１ｄはこれらの溶液を流路チップ２の外部に排出するものである。

駆動手段２６は、加圧部２６１と、加圧部２６１に接続された直動アクチュエータ２６２と、直動アクチュエータ２６２に固定されたガイド２６３から構成されており、加圧部２６１の端部が流路チップ２に対して加圧接触するよう設置されている。加圧部２６１は板状であり、流路チップ２と接触する端部には欠けのある構造である。直動アクチュエータ２６２と加圧部２６１は、固定されたガイド２６３により、流路チップ２に対して水平方向（図５中、Ｘ方向）の一方向に運動を規定している。直動アクチュエータ２６２は加圧部２６１を移動させ、加圧部２６１端部に設けられた欠けの位置を、流路チップ２に対して位置決めすることができる。位置決め動作は、直動アクチュエータ２６２の駆動信号のみでも可能であるが、エンコーダーを加圧部２６１に付加すれば、より高度の位置決めが可能となる。

ここで、一直線上に配置された３つの弾性膜１５ａ、１５ｂ、１５ｃ上に加圧部２６１を配置する。加圧部２６１の凸部分（図７（ａ）に図示）が、弾性膜１５ａ、１５ｂを加圧する。加圧された弾性膜１５ａ、１５ｂが変形し、分岐流路１０ａ、１０ｂが閉状態となる。このため、流路チップ２内では、分岐流路１０ｃが開状態となり、試料を穴３１ｃから、穴３１ｄへと流すことが可能となる。また、加圧部２６２を移動させ、凸部分で弾性膜１５ｂ、１５ｃを加圧すると（図７（ｂ）参照）、分岐流路１０ａのみ開状態となり、試料を穴３１ａから穴３１ｄへと流すことが可能となる。

したがって、加圧部２６１の位置決めのみで、分岐流路の開閉が可能であり、任意の分岐流路に対して試料の流れを切替制御できる。また、駆動手段一つで複数の分岐流路を開閉できることから、バルブを高密度配置し、流路チップの小型化が可能となる。

また、図８に示すように、マイクロバルブユニット２００’を、流路チップ２’と駆動手段２６、押圧ユニット２７から構成することもできる。流路チップ２’は、短流路１６上に弾性膜１５ｄおよび弁室を設け、弾性膜１５ｄを加圧変形させることで、短流路１６を開閉する。このため、分岐流路１０ａ、１０ｂ、１０ｃから短流路１６に至る流れを一括制御することができる。弾性膜１５ｄを加圧変形させる押圧ユニット２７の構造について説明する。押圧ユニット２７は、図９に示すように、ステッピングモータ２７１が搭載されたハウジング２７２と、ネジ溝が形成されたステッピングモータ２７１の回転軸に接続されたワッシャ２７３、ワッシャ２７３にネジで固定された可動部２７４からなっている。可動部２７４にはシャフト２７５が固定され、さらにバネ２７６を介して押圧部２７７が支持されている。押圧ユニット２７は、ステッピングモータ２７１の回転軸の回転を、ワッシャ２７３とシャフト２７５により可動部２７４の上下動に変換する。可動部２７４が降下すると、押圧部２７７が弾性膜１５ｄにより押し上げられ、バネ２７６が圧縮する。この時、バネ２７６の反発力が弾性膜１５ｄを加圧する力となり、短流路１６を閉にすることができる（図１１（ａ）参照。）。可動部２７４が上昇すると、押圧部２７７と弾性膜１５ｄが接触しなくなり、短流路１６は開になる（図１１（ｂ）参照。）。このように、ステッピングモータ２７１の回転制御のみで、短流路１６の開閉を行うことが可能となる。なお、押圧部２７７のＤ面と可動部２７４との間で、電気的な導通を観察する回路を設けておくと、電気的導通状態で短流路１６が開、短絡状態で短流路１６が閉と知ることができ、流路の開閉を検知することができる。このような構成とすることで、例えば、緊急停止時に押圧ユニットの動作のみで一括して送液停止状態にすることが可能となる。

また、図１０に示すように、流路チップ２’’からマイクロバルブユニットを構成することができる。流路チップ２’’は、前述の流路チップ２の上面に硬質樹脂製のガイド板３を設けた構成となっている。ガイド板３は２体からなり、弾性膜１５ａ、１５ｂ、１５ｃを含む直線状の領域を除いて設置している。駆動手段２６の加圧部２６１は、流路チップ２’’のガイド板３を設けていない領域に沿って直動し、各々の弾性膜１５ａ、１５ｂ、１５ｃを加圧することになる。このため、加圧部２６１はガイド板３の側面により動きを規定されるため、正確な動作ができる。同時に、流路チップ２’’上面はガイド板３により硬い構成となるため、大きな固定力を設定することができ、流路チップ２’’を確実に固定することが可能となる。なお、ガイド板３を用いた構成は、実施の形態１で述べた流路チップ１も同様の構成をとることが可能である。

本実施形態１に係わるマイクロバルブユニットの構造を示す摸式図である。 流路チップの構造を説明するための概略図である。 分岐流路の開閉動作を説明するための説明図である。 分岐流路の開閉動作を説明するための説明図である。 本実施形態２に係わるマイクロバルブユニットの構造を示す摸式図である。 流路チップの構造を説明するための概略図である。 分岐流路の開閉動作を説明するための説明図である。 本実施形態２に係わるマイクロバルブユニットの構造を示す模式図である。 押圧ユニットの構造を説明するための概略図である。 流路チップを説明するための説明図である。 押圧ユニットの動作を説明するための概略図である。

符号の説明

１、２ 流路チップ
３ ガイド板
６、２６ 駆動手段
１０ 分岐流路
１１、１２、１３、１６ 短流路
１４ 弁室
１５ 弾性膜
２７ 押圧ユニット
３１ 穴
６１、２６１、２７７ 加圧部
６２ ステッピングモータ
６３、２６３ ガイド
６４ バネ
１００、２００ マイクロバルブユニット
２６２ 直動アクチュエータ

Claims (5)

1. 流路内の流体の流れを制御するマイクロバルブユニットであって、
   複数の分岐流路が結合して形成された前記流路と、
   前記分岐流路中に設けられ、外部からの押圧力により前記分岐流路の開閉を行うバルブとからなる流路チップと、
   凸形状もしくは凹形状に形成された端面と、
   前記端面が前記バルブに押圧力を与える加圧部と、
   前記端面を移動させることにより所望の前記バルブの開閉を行う駆動手段とを有し、
   前記端面側に接し、前記加圧部を前記バルブの配置に沿って案内するように形成されたガイド部とを有することを特徴とするマイクロバルブユニット。
2. 前記バルブが円弧状に配置され、かつ前記加圧部も前記バルブの配置に対応するように円弧状に形成された前記端面を有し、前記駆動手段の駆動により前記加圧部の前記端面が前記バルブの配置方向に回転して前記バルブの開閉を行うことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブユニット。
3. 前記バルブが一直線状に配置され、かつ前記加圧部も前記バルブの配置に対応するように直線状に形成された板状の前記端面を有し、前記駆動手段の駆動により前記加圧部の前記端面が前記バルブの配置方向に移動して前記バルブの開閉を行うことを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブユニット。
4. 前記バルブは、前記分岐流路中に設けられた弁室と該弁室の側壁を構成する弾性変形膜とからなり、前記弾性変形膜が前記加圧部の前記端面による前記押圧力を受けて初期状態から変形することにより前記分岐流路の遮断を行い、また前記押圧力が排除された場合、前記弾性変形膜が前記初期状態に復帰することにより前記分岐流路が開口することを特徴とする請求項２または３に記載のマイクロバルブユニット。
5. 前記分岐流路は複数の短流路からなり、第一の前記短流路と前記弾性変形膜に垂直な前記弁室の一面とが接続され、第二の前記短流路と前記弾性変形膜と対向する前記弁室の一面とが接続されることを特徴とする請求項４に記載のマイクロバルブユニット。

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