JP2014122831A - マイクロ流路デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】高い寸法精度を達成した溶着を可能とするマイクロ流路デバイスを提供する。
【解決手段】本発明のマイクロ流路デバイスは、第１基板及び第２基板を接合してなる。第１基板又は第２基板の少なくとも一方には流路溝が形成されており、かつ、第１基板又は第２基板の一方の周囲には他方と接合する突条を備える。突条は接合前の状態で、横断面が三角形又は台形をなし、三角形の頂角又は台形の２つの脚がなす角が４５度以上６０度以下、かつ、三角形又は台形の高さが０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。第１基板及び第２基板を接合した状態で、突条を除く部分では第１基板と第２基板は非接触状態に保たれる。これにより、第１基板と第２基板の接合において高い寸法精度を達成した溶着を可能とする
【選択図】図３

Description

本発明は、マイクロ流路デバイスに関する。

近年、マイクロリアクターやマイクロアナリシスシステムと呼ばれる化学反応システムや分析システムの微小化の研究が盛んに行われている。システムの微小化の利点として、微量の検体量で試験が可能となること、廃液の排出量が軽減されることなどが挙げられる。また、省スペースで持ち運びが可能であり、かつ、安価なシステムを構築することができる。

このようなシステムは、核酸、タンパク質、糖鎖などの分析や合成、微量化学物質の迅速分析、医薬品・薬物のハイスループットスクリーニングへの応用が期待されている。また、体積に対する表面積の比率が向上することにより、熱移動・物質移動の高速化が実現できるため、反応や分離の精密な制御、高速・高効率化、副反応の抑制が期待される。

具体的なシステムとして、マイクロ流路を持つマイクロ流路デバイスを用いる検討がなされている。一般にマイクロ流路デバイスは微細加工によりマイクロ流路を形成した基板に他の基板又は膜を貼り合わせること等により製造されている。

樹脂基板同士を溶着する場合、超音波を用いた溶着が一般的である。このとき双方の基板の接合面が共に平坦であると溶着の効率が低下するため、基板の一方に山形のリブを設けることが一般的である（例えば特許文献１を参照）。

特開２０１１−００５７０５号公報

しかしながら、マイクロ流路デバイスのように高い寸法精度が要求される場合、溶着も高度に制御することが必要となる。すなわち、超音波溶着においては特にリブの先端を振動させるが、この際にリブ全体が大きく撓んだり折れたりすると高い精度を達成することは難しい。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、高い寸法精度を達成した溶着を可能とするマイクロ流路デバイスを提供する。

このような目的は、下記（１）〜（３）に記載の本発明により達成される。
（１）第１基板及び第２基板を接合してなるマイクロ流路デバイスであって、
前記第１基板又は前記第２基板の少なくとも一方には流路溝が形成されており、かつ、前記第１基板又は前記第２基板の一方の周囲には他方と接合する突条を備え、
前記突条は接合前の状態で、横断面が三角形または台形をなし、三角形の頂角又は台形の２つの脚のなす角が４５度以上６０度以下、かつ、三角形又は台形の高さが０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であり、
前記第１基板及び前記第２基板を接合した状態で、前記突条を除く部分では前記第１基板と前記第２基板は非接触状態に保たれることを特徴とするマイクロ流路デバイス。
（２）前記第１基板及び前記第２基板は熱可塑性樹脂からなる（１）に記載のマイクロ流路デバイス。
（３）前記第１基板又は前記第２基板の他方の周囲には、前記突条と対応する凹溝が形成されており、前記突条の先端が前記凹溝に陥入して溶着する（１）又は（２）に記載のマイクロ流路デバイス。

本発明によれば、マイクロ流路デバイスの製造において高い寸法精度を達成した溶着を可能とすることができる。

本発明の実施形態に係るマイクロ流路デバイスの上面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。 図２に対応する断面図で第１基板と第２基板を接合する前の状態を表した図である。

以下、本発明のマイクロ流路デバイスの好適な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

まず、本実施形態に係るマイクロ流路デバイス１について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るマイクロ流路デバイス１の上面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。図３は、図２に対応する断面図で第１基板２と第２基板３を接合する前の状態を表した図である。

図１に示すように、本実施形態のマイクロ流路デバイス１は、第１基板２と第２基板３とを接合して形成される。マイクロ流路デバイス１は内部に流路溝２２を有し、この流路溝２２を用いて種々の反応や分析を行う。

第１基板２はマイクロ流路デバイス１を構成する基板の一つである。本実施形態では第１基板２は上面視が長方形の板状をなしている。第１基板２の一方の面は第２基板３と接合する接合面２１である。接合面２１には用途に応じた任意の走行形状をとる流路溝２２が形成されている。さらに、流路溝２２を取り囲むようにして突条２３が形成されている。

流路溝２２は前述のように種々の反応や分析を行う際に試料の供給・排出路や反応の場となる。したがって、流路溝２２の設計は用途に応じて種々になされる。このような用途としては、例えば複数の試料を流路溝２２内で混合・反応させたり、流路溝２２を用いて試料を分離したりするといったことが挙げられる。本実施形態では、単純な例として図１から図３に示すように流路溝２２がマイクロ流路デバイス１（第１基板２）の長手方向に沿って１本形成されたものを挙げる。

流路溝２２の断面形状も用途に応じて種々に設計されるものである。本実施形態では流路溝２２は断面形状が正方形となるように形成されている。しかしながら流路溝２２の断面形状はこれに限られず長方形や半円形、半長円形等としてもよい。

流路溝２２の表面は、親水化処理や表面処置官能基の形成処理等の表面処理を施してもよい。このような表面処理として、含酸素官能基を導入する処理が行われる。含酸素官能基を導入することにより、樹脂表面の親水性が向上し、スムーズな試料の送液が可能になる。導入される含酸素官能基としては例えば、アルデヒド基やケトン基などのカルボニル基、カルボキシル基、水酸基、エーテル基、パーオキサイト基、エポキシ基などの極性を有した官能基群が挙げられる。また、その導入処理としては例えば、プラズマ処理、コロナ放電処理、エキシマレーザー処理、フレーム処理などを用いることができる。

突条２３は、第１基板２と第２基板３とを接合する際に接合しろとなる。突条２３がない場合、接合が非効率となり接着が不十分となることがありうるが、突条２３を形成すると応力が突条に集中するため十分な接着を達成することができる。本実施形態の突条２３は図３に示すように、断面形状が三角形をなしている。また、突条２３は流路溝２２を取り囲むように第１基板２の全周にわたって形成されている。

なお、本発明における突条２３の横断面が「三角形」とは、数学的な三角形だけでなく、例えば、頂角がＲ加工されているものや辺が湾曲しているもの等の略三角形のものも含む。

突条２３の断面形状は超音波溶着の精度に大きく影響する。例えば突条が高すぎると溶着の際に突条が折れてしまうといったことが生じうる。また、突条の頂角が鋭角すぎると溶着の際に突条が折れたり撓んだりしてしまうことがありうる。さらに、突条の頂角が鈍角すぎると接合効率が低下する。これらは第１基板２と第２基板３の接合時に高い精度の溶着を阻害することになる。

本実施形態では第１基板２と第２基板３の接合前の状態において突条２３の断面形状は頂角が４５度以上６０度以下、高さが０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下となるように形成されている。頂角及び高さをこの範囲とすると前述したような突条２３の折れや撓みを効果的に抑止することができ、高精度の接着を達成することができる。

さらに、本実施形態では図２に示すように第１基板２と第２基板３を接合した状態において、突条２３を除く部分では第１基板と第２基板は非接触状態に保たれる。すなわち、第１基板２と第２基板３は突条２３を支点として橋渡しされるように形成されている。このように第１基板２と第２基板３とを離間して接合すると、流路の密閉性が保てないなどの基板間接触による溶着不良、突条以外の箇所が溶けて白化するなどの外観不良が良好に防止できる。

なお、本実施形態では突条２３は断面形状が三角形である例を説明したが、断面形状を台形とすることもできる。このとき第１基板２と第２基板３の接合前の状態において突条２３の２つの脚のなす角が４５度以上６０度以下、高さが０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下となるように形成されている。角及び高さをこの範囲とすると前述したような突条２３の折れや撓みを効果的に抑止することができ、高精度の接着を達成することができる。また、本発明における突条２３の横断面が「台形」とは、数学的な台形だけでなく、例えば、頂角がＲ加工されているものや辺が湾曲しているもの等の略台形のものも含む。

第１基板２の樹脂材料としては、熱可塑性樹脂を用いることができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）などのポリオレフィン、ポリスチレンなどのポリビニル、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのポリアクリル、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）やシクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）などを用いることができる。特に、成形性や成形した基板の硬度、耐薬液性の点からＣＯＰや、ＣＯＣを用いることが好ましい。

第１基板２の代表的な寸法例について説明する。第１基板２は縦１０〜１００ｍｍ程度、横１０〜１００ｍｍ程度、厚さ０．２〜２ｍｍ程度である。また、流路溝２２は、幅１０〜１０００μｍ程度、深さ１０〜１０００μｍ程度である。ただし、これらの寸法は例示であり、使途に適した寸法設計とすることに差し支えはない。

第２基板３は、第１基板２とともにマイクロ流路デバイス１を構成する。図２、図３に示すように、本実施形態の第２基板３は、第１基板２と同形状をなしている。第２基板３の一方の面には、第１基板２の接合面２１と接合する接合面３１を有する。接合面３１には突条２３と対応する位置に凹溝３２が形成されている。

凹溝３２は、第１基板２と第２基板３とを接合する際に突条２３が突き当たる部分である。したがって、凹溝３２は突条２３と同様に、第１基板２と第２基板３とを接合したときに流路溝２２を取り囲むように第２基板３の全周にわたって形成されている。

本実施形態では凹溝３２は底面が曲面をなす樋状に形成されている。凹溝３２の代表的な寸法例は、幅０．２〜０．５ｍｍ程度、深さ０．１〜０．３ｍｍ程度である。なお、凹溝３２の形状はこれに限られず横断面を四角形等としてもよい。

凹溝３２は第１基板２と第２基板３とを接合する際に突条２３の溶融した部分を受け入れる役割を担う。このように凹溝３２を設けると突条２３の溶融した部分が周囲に流れることを効果的に防止できるのでより高精度なマイクロ流路デバイス１を製造することができる。

なお、本実施形態のマイクロ流路デバイス１には、膜体、ポンプ、バルブ、センサー、モーター、ミキサー、ギア、クラッチ、マイクロレンズ、電気回路等を組み合わせて複合化させることも可能であり、種々の用途に用いることができる。

次に、本実施形態のマイクロ流路デバイス１の製造方法について説明する。
まず、第１基板２及び第２基板３を用意する。それぞれの基板は例えば射出成型により作製すればよい。このときあらかじめ流路溝２２に対応する部分を成形型に形成しておくことにより、これらを同時に一体成型することができるので、大量生産に適しする。なお、流路溝２２を後加工する場合は、ドリル等の機械加工、ホットエンボスによる加工、レーザーによる加工、ドライエッチングパターン加工、ウェットエッチングパターン加工等の加工方法を選択すればよい。

次いで、第１基板２と第２基板３とを溶着する。まず、第１基板２の接合面２１と第２基板３の接合面３１とを向かい合わせて接合する。このとき、突条２３が凹溝３２に突き当たるように位置合わせをする。この状態で溶着を行い、第１基板２と第２基板３を一体化してマイクロ流路デバイス１を作製する。

なお、本実施形態では溶着は２０ｋＨｚ、１２００Ｗの超音波溶着機で、圧力０．１〜１ＭＰａ程度、溶着時間０．１〜１秒程度の条件下で行う。この溶着条件は一例であり、基板の材料や必要な溶着強度等により適宜変更してもよい。

１ マイクロ流路デバイス
２ 第１基板
２１ 接合面
２２ 流路溝
２３ 突条
３ 第２基板
３１ 接合面
３２ 凹溝

Claims (3)

1. 第１基板及び第２基板を接合してなるマイクロ流路デバイスであって、
   前記第１基板又は前記第２基板の少なくとも一方には流路溝が形成されており、かつ、前記第１基板又は前記第２基板の一方の周囲には他方と接合する突条を備え、
   前記突条は接合前の状態で、横断面が三角形又は台形をなし、三角形の頂角又は台形の２つの脚のなす角が４５度以上６０度以下、かつ、三角形又は台形の高さが０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であり、
   前記第１基板及び前記第２基板を接合した状態で、前記突条を除く部分では前記第１基板と前記第２基板は非接触状態に保たれることを特徴とするマイクロ流路デバイス。
2. 前記第１基板及び前記第２基板は熱可塑性樹脂からなる請求項１に記載のマイクロ流路デバイス。
3. 前記第１基板又は前記第２基板の他方の周囲には、前記突条と対応する凹溝が形成されており、前記突条の先端が前記凹溝に陥入して溶着する請求項１又は２に記載のマイクロ流路デバイス。