JP2021518259A - 流体デバイス - Google Patents

Abstract

溶液が流れる流路と、第１対向面と、を有する基材と、前記第１対向面に対向し、前記溶液と接触して前記溶液を処理する処理部が設けられた第２対向面を有する処理基板と、前記第１対向面と前記第２対向面との間に挟み込まれるシール部と、を備え、前記処理基板と前記基材との間には、前記処理部を板厚方向から見て前記シール部で囲み、前記流路と接続する処理空間が設けられる、流体デバイス。

Description

本発明は、流体デバイスに関するものである。
本願は、２０１８年３月２２日に出願された、米国仮出願第６２／６４６，４９２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、体外診断分野における試験の高速化、高効率化、および集積化、又は、検査機器の超小型化を目指したμ−ＴＡＳ（Micro-Total Analysis Systems）の開発などが注目を浴びており、世界的に活発な研究が進められている。

μ−ＴＡＳは、少量の試料で測定、分析が可能なこと、持ち運びが可能となること、低コストで使い捨て可能なこと等、従来の検査機器に比べて優れている。
更に、高価な試薬を使用する場合や少量多検体を検査する場合において、有用性が高い方法として注目されている。

μ−ＴＡＳの構成要素として、流路と、該流路上に配置されるポンプとを備えたデバイスが報告されている（非特許文献１）。このようなデバイスでは、該流路へ複数の溶液を注入し、ポンプを作動させることで、複数の溶液を流路内で混合する。

Jong Wook Hong, Vincent Studer, Giao Hang, W French Anderson and Stephen R Quake,Nature Biotechnology 22, 435 - 439 (2004)

第１の実施態様に従えば、溶液が流れる流路と、第１対向面と、を有する基材と、前記第１対向面に対向し、前記溶液と接触して前記溶液を処理する処理部が設けられた第２対向面を有する処理基板と、前記第１対向面と前記第２対向面との間に挟み込まれるシール部と、を備え、前記処理基板と前記基材との間には、前記処理部を板厚方向から見て前記シール部で囲み、前記流路と接続する処理空間が設けられる、流体デバイスが提供される。

図１は、一実施形態の流体デバイスの斜視図である。 図２は、一実施形態の流体デバイスの分解斜視図である。 図３は、一実施形態の流体デバイスの平面図である。 図４は、図３のIV−IV線に沿う流体デバイスの断面図である。 図５は、一実施形態の第２基板の平面図である。 図６は、図３のVI−VI線に沿う流体デバイスの断面図である。 図７は、図３のVII−VII線に沿う流体デバイスの断面図である。 図８は、図７の領域VIIIの拡大図である。 図９は、変形例１の流体デバイスの部分断面図である。

以下、流体デバイスの実施の形態を、図面を参照して説明する。

（流体デバイス）
図１は、本実施形態の流体デバイス１の斜視図である。図２は、流体デバイス１の分解斜視図である。図３は、流体デバイス１の平面図である。

本実施形態の流体デバイス１は、検体試料に含まれる検出対象である試料物質を免疫反応および酵素反応などにより検出するデバイスを含む。試料物質は、例えば、核酸、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ペプチド、タンパク質、細胞外小胞体などの生体分子である。

図２に示すように、流体デバイス１は、基材２と処理基板４とを備える。また、後段において説明するように、基材２には、シール部５が設けられる（図４参照）。すなわち、流体デバイス１は、シール部５を備える。

処理基板４は、基板本体４０と、処理部４１を有する。

基板本体４０は、一種類あるいは複数の核酸や抗体などの生体分子が結合しているものや回路パターン（図示略）が設けられたリジット基板である。基板本体４０は、例えばガラス基板，石英ガラス基板，金属板，樹脂基板やガラスエポキシから構成される。

処理部４１は、基板本体４０に備えられる。処理部４１は、基材２に設けられた流路５０を流れる溶液に接触して、溶液に対して何らかの処理を施したり、溶液中の物質と反応したり、溶液中の物質を検出するものである。処理部４１は、例えば溶液中の検出対象を検出する検出部である。処理部４１は、例えば、ＧＭＲセンサ(Giant Magneto Resistive Sensor)である。ＧＭＲセンサの各素子の表面には、例えば、検出対象である抗原を捕捉する抗体が固定されている。また、ＧＭＲセンサの各素子は、検出対象である抗原と結びついた磁性粒子を検出する。すなわち、本実施形態において、処理部４１としてのＧＭＲセンサは、溶液中の検体を捕捉し、検出する。ＧＭＲセンサの各素子は、基板本体４０の回路パターンに接続されている。

処理部４１は基材２に設けられた流路５０を流れる溶液に接触して、溶液に対して何らかの処理を施すものであればその機能は限定されない。また、処理部４１は、例えば溶液を反応させる反応部である。処理部４１が溶液に施す処理としては、捕捉処理、検出処理、加熱処理，抗原抗体反応，核酸の交差結合，生体分子の相互作用などが例示できる。処理部４１としては、ＤＮＡアレイチップ、電界センサ、加熱ヒータ、クロマトグラフィーを行う素子などが例示できる。

基材２は、第１基板（基板、トッププレート）１０と、第２基板（基板、ミドルプレート）２０と、第３基板（基板、ボトムプレート）３０と、を有する。すなわち、基材２は、３つの基板を有する。第１基板１０、第２基板２０および第３基板３０は、基板の厚さ方向に積層される。第１基板１０と第２基板２０とは、レーザ溶着、超音波溶着などの溶着手段によって互いに溶着される。同様に、第２基板２０と第３基板３０とは、レーザ溶着、超音波溶着などの溶着手段によって互いに溶着される。

第１基板１０、第２基板２０および第３基板３０は、樹脂材料から構成される。レーザ溶着により、第１基板１０と第２基板２０、および、第２基板２０と第３基板３０とを溶着接合する場合には、貼り合わせる二枚の基板のうち一方が光を透過する透光性の樹脂材料であり、他方が光を吸収する樹脂材料であることが好ましい。例えば、第１基板１０および第３基板３０は、光を透過する透光性の樹脂材料から構成される。一方で、第２基板２０は、レーザの波長の光を吸収する有色の樹脂材料又はレーザの波長の光を吸収する塗料が塗布された樹脂材料から構成される。第１基板１０、第２基板２０および第３基板３０には、熱可塑性の樹脂材料を使用することが好ましい。しかしながら、熱可塑性樹脂材料であっても、炭素繊維強化樹脂は、第１基板１０、第２基板２０および第３基板３０には、適さない。また、熱可塑性樹脂材料であっても、フッ素樹脂などの極端に耐熱性が高い樹脂材料は、第１基板１０、第２基板２０および第３基板３０には、適さない。第１基板１０、第２基板２０および第３基板３０に使用が可能な樹脂材料としては、結晶性樹脂の汎用樹脂（ポリプロピレン；ＰＰ、ポリ塩化ビニル；ＰＶＣなど）、エンジニアリングプラスチック（ポリエチレンテレフタレート；ＰＥＴなど）、スーパーエンジニアリングプラスチック（ポリフェニレンサルファイド；ＰＰＳ、ポリエーテルエーテルケトン；ＰＥＥＫなど）、並びに非結晶性樹脂の汎用樹脂（アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合合成樹脂；ＡＢＳ、ポリメチル・メタクリレート；，ＰＭＭＡなど）、エンジニアリングプラスチック（ポリカーボネート；ＰＣ、ポリフェニレンエーテル；ＰＰＥなど）、スーパーエンジニアリングプラスチック（ポリエーテルサルフォン；ＰＥＳなど）が例示される。

第１基板１０、第２基板２０および第３基板３０は、この順で積層される。すなわち、第２基板２０は、第１基板１０と第３基板３０との間に配置される。また、第２基板２０と第３基板３０との間には、処理基板４が配置される。したがって、処理基板４の一部は基材２の内部に収容される。

処理基板４、第１基板１０、第２基板２０および第３基板３０は、１つの平面に沿って平行に延びる板材である。以下の説明においては、処理基板４、第１基板１０、第２基板２０および第３基板３０の配置は、説明の便宜のため、水平面に沿って配置されるものとして説明する。また、以下の説明において、上側から順に第１基板１０、第２基板２０、処理基板４および第３基板３０が、順に積層されるとして、上下方向を規定する。すなわち、本明細書における上下方向は、第１基板１０、第２基板２０、処理基板４および第３基板３０の積層方向および厚さ方向である。
ただし、これは、説明の便宜のために水平方向および上下方向を定義したに過ぎず、本実施形態に係る流体デバイス１の使用時の向きを限定しない。

図４は、図３のIV−IV線に沿う流体デバイス１の断面図である。
処理基板４、第１基板１０、第２基板２０および第３基板３０は、それぞれ上側（積層方向一方側）を向く上面と、下側（積層方向他方側）を向く下面と、を有する。より具体的には、第１基板１０は、上面１０ａと下面１０ｂとを有する。第２基板２０は、上面２０ａと下面（第１対向面）２０ｂとを有する。第３基板３０は、上面（第３対向面）３０ａと下面３０ｂとを有する。すなわち、基材２は、上面１０ａ、２０ａ、３０ａと、下面１０ｂ、２０ｂ、３０ｂと、を有する。また、処理基板４は、上面（第２対向面）４ａと下面４ｂと、を有する。

第１基板１０の下面１０ｂと第２基板２０の上面２０ａとは、上下方向に対向する。第２基板２０の下面２０ｂと第３基板３０の上面３０ａとは、上下方向に対向する。処理基板４の上面４ａの一部は、第２基板２０の下面２０ｂの一部と上下方向に対向する。処理基板４の下面４ｂの一部は、第３基板３０の上面３０ａの一部と上下方向に対向する。

第２基板２０の下面２０ｂには、第１収容凹部（収容凹部）２１が設けられる。同様に、第３基板３０の上面３０ａには、第２収容凹部（収容凹部）３１が設けられる。第１収容凹部２１と第２収容凹部３１とは、上下方向から見て互いに重なる。第１収容凹部２１および第２収容凹部３１は、それぞれ処理基板４を収容する。第１収容凹部２１の底面２１ａは、処理基板４の上面４ａと接触する。第２収容凹部３１の底面３１ａは、処理基板４の下面４ｂと接触する。また、第２基板２０の下面２０ｂの第１収容凹部２１を除く領域の一部と、第３基板３０の上面３０ａの第２収容凹部３１を除く領域の一部と、は、互いに接触する。これにより、基材２は、第２基板２０の下面２０ｂと第３基板３０の上面３０ａとの間で、処理基板４を挟み込む。すなわち、基材２は、処理基板４を挟み込む一対の基板（第２基板２０および第３基板３０）を有する。

基材２には、溶液を貯留するリザーバー６０と、溶液が流れる流路５０と、注入孔７１と、供給孔７４と、廃液槽７２と、排出孔７５と、空気孔７３と、が設けられている。

リザーバー６０は、第２基板２０と第３基板３０との間に設けられる。リザーバー６０は、第２基板２０の下面２０ｂに設けられた溝部２２の内壁面と第３基板３０の上面３０ａとによって囲まれた空間である。リザーバー６０は、例えば、チューブ状、あるいは筒状に形成された空間である。本実施形態の基材２には、複数のリザーバー６０が設けられる。リザーバー６０には、溶液が収容される。複数のリザーバー６０は、互いに独立して溶液を収容する。本実施形態のリザーバー６０は、流路型のリザーバーである。リザーバー６０の長さ方向の一端は、注入孔７１に接続される。また、リザーバー６０の長さ方向の他端は、供給孔７４が接続される。流体デバイス１の製造過程において、リザーバー６０には、注入孔７１から溶液が注入される。また、流体デバイス１の使用時において、リザーバー６０は、供給孔７４を介し収容した溶液を流路５０に供給する。

流路５０は、第１基板１０と第２基板２０との間に設けられる。流路５０は、例えば、第１基板１０と第２基板２０の接合面に形成された溝部により構成される。第１基板１０の下面１０ｂに設けられた溝部と第２基板２０の上面２０ａとによって囲まれた空間により構成されてもよく、第１基板１０の下面１０ｂと第２基板２０の上面２０ａに設けられた溝部とによって囲まれた空間として構成されてもよく、第１基板１０の下面１０ｂに設けられた溝部と第２基板２０の上面２０ａに設けられた溝部とによって囲まれた空間として構成されてもよい。本実施形態においては、流路５０の一部は、第１基板１０の下面１０ｂに設けられた溝部１３と第２基板２０の上面２０ａとによって囲まれた空間として構成される。また、流路５０の一部は、第１基板１０の下面１０ｂと第２基板２０の上面２０ａに設けられた溝部２３とによって囲まれた空間として構成される。さらに、流路５０の一部は、第１基板１０の下面１０ｂに設けられた溝部１３と第２基板２０の上面２０ａに設けられた溝部２３とによって囲まれた空間として構成される。流路５０は、チューブ状、あるいは筒状に形成された空間である。流路５０には、リザーバー６０から溶液が供給される。溶液は、流路５０内を流れる。
流路５０の各部に関しては、図５を基にして後段において詳細に説明する。

注入孔７１は、第１基板１０および第２基板２０を板厚方向に貫通する。注入孔７１は、第２基板２０と第３基板３０との境界部に位置するリザーバー６０に繋がる。注入孔７１は、リザーバー６０を外部に繋げる。注入孔７１は、１つのリザーバー６０に対して１つ設けられる。

注入孔７１の開口には、セプタム７１ａが設けられる。作業者（または注入装置）は、例えば、溶液が充填されたシリンジを用いてリザーバー６０への溶液の注入作業を行う。作業者は、シリンジに取り付けられた中空針をセプタム７１ａに突刺してリザーバー６０に溶液を注入する。
なお、注入孔７１の開口には、セプタム７１ａが設けられていなくてもよい。この場合、注入孔７１の開口には、リザーバー６０への溶液の注入後に貼付されるシールが設けられる。

供給孔７４は、第２基板２０に設けられる。供給孔７４は、第２基板２０を板厚方向に貫通する。供給孔７４は、リザーバー６０と流路５０とを繋ぐ。リザーバー６０に貯留された溶液は、供給孔７４を介して流路５０に供給される。

廃液槽７２は、流路５０中の溶液を廃棄する為に基材２に設けられる。廃液槽７２は、排出孔７５を介して流路５０に接続される。廃液槽７２は、第２基板２０の下面２０ｂに設けられた廃液用凹部２５と、第３基板３０の上面３０ａに囲まれた空間に構成される。廃液槽７２には、廃液を吸収する吸収材７９が充填される。

排出孔７５は、第２基板２０を板厚方向に貫通する。排出孔７５は、流路５０と廃液槽７２とを繋ぐ。流路５０内の溶液は、排出孔７５を介して廃液槽７２に排出される。

空気孔７３は、第１基板１０および第２基板２０を板厚方向に貫通する。空気孔７３は、廃液槽７２の直上に位置する。空気孔７３は、廃液槽７２を外部に繋げる。すなわち、廃液槽７２は、空気孔７３を介して外部に開放される。

次に、流路５０について、より具体的に説明する。
図５は、第２基板２０の平面図である。
なお、図５において、流路５０の一部を二点鎖線又は破線により補完して表示する。また、図５において、流路５０の一部である循環流路５１には、ドット模様により強調して表示する。

流路５０は、循環流路５１と、複数の導入流路５２と、複数の排出流路５３と、を有する。

循環流路５１は、積層方向から見て、ループ状に構成される。循環流路５１の経路中には、ポンプＰが配置されている。ポンプＰは、流路中に並んで配置された３つの要素ポンプＰｅから構成されている。要素ポンプＰｅは、いわゆるバルブポンプである。ポンプＰは、３つの要素ポンプＰｅを順次開閉することにより、循環流路５１内において液体を搬送することができる。ポンプＰを構成する要素ポンプＰｅの数は、３個以上であればよく、４以上であってもよい。

循環流路５１の経路中には、複数（本実施形態では３つ）の定量バルブＶが設けられる。複数の定量バルブＶは、循環流路５１を複数の定量区画に区画する。複数の定量バルブＶを閉じることにより、循環流路５１において複数の区画が画定される。複数の定量バルブＶは、それぞれの定量区画が所定の体積となるように配置されている。それぞれの定量区画の一端には、導入流路５２が接続される。また、定量区画の他端には、排出流路５３が接続される。

導入流路５２は、循環流路５１の定量区画に溶液を導入するための流路である。導入流路５２は、１つの定量区画に少なくとも１つ設けられる。導入流路５２は、一端側において供給孔７４に接続される。また、導入流路５２は、他端側において、循環流路５１に接続される。導入流路５２の経路中には、導入バルブＶｉと初期クローズバルブＶａとが設けられる。

初期クローズバルブＶａは、流体デバイス１の出荷時の初期状態においてのみ閉塞するバルブである。初期クローズバルブＶａが設けられることで、出荷から使用までの輸送中等において、リザーバー６０内の溶液が、流路５０に流入することを抑制できる。
導入バルブＶｉは、リザーバー６０から流路５０に溶液を導入する際に開放され、他の状態において閉塞される。

排出流路５３は、循環流路５１の溶液を廃液槽７２に排出するための流路である。排出流路５３は、一端側において廃液槽７２に接続される。また、排出流路５３は、他端側において、循環流路５１に接続される。排出流路５３の経路中には、排出バルブＶｏが設けられる。

排出バルブＶｏは、流路５０から廃液槽７２に溶液を排出する際に開放され、他の状態において閉塞される。

循環流路５１には、処理空間５５が含まれる。循環流路５１内の溶液は、循環中に処理空間５５を通過する。処理空間５５には、処理基板４の処理部４１が配置される。すなわち、処理部４１は、処理空間５５の内部に位置する。処理部４１は、処理基板４の上面４ａに設けられる。処理部４１は、処理空間５５内の溶液と接触して溶液を処理する。

流体デバイス１による溶液の処理について説明する。
流体デバイス１は、複数のリザーバー６０内の溶液を、それぞれ循環流路５１の異なる定量区画に導入して、溶液の定量を行う。次いで、流体デバイス１は、定量バルブＶを開放するとともに、ポンプＰを作動させる。これにより、循環流路５１においてそれぞれの定量区画で定量した溶液を循環させて混合する。また、処理部４１において溶液内の検体（例えば抗原を捕捉する。次いで、循環流路５１内の溶液を廃液槽７２に排出する。ついで、磁性粒子を含む溶液を循環流路５１内に供給するとともに、循環させる。これにより、処理部４１に捕捉された抗原に磁性粒子を結び付ける。さらに、処理部４１において磁性粒子を検出する。

図６は、図３のVI−VI線に沿う流体デバイス１の断面図である。
第２基板２０の下面２０ｂには、処理基板４を収容する第１収容凹部２１が設けられる。第１収容凹部２１は、第２基板の２０の下面２０ｂ側が開口したくぼみである。第１収容凹部２１は処理凹部２６を含む。第１収容凹部において、開口面と逆側の面であり、処理凹部２６につながっていない部分を第１収容凹部２１の底面２１ａと呼ぶ。第１収容凹部２１の底面２１ａは、処理基板４の上面４ａに接触する。第１収容凹部２１の底面２１ａには、処理凹部（凹部）２６が設けられる。上下方向から見て、処理凹部２６の底面積は、第１収容凹部２１の底面積よりも小さい。すなわち、第１収容凹部２１の底面２１ａの一部において、処理凹部２６は設けられている。処理凹部２６の内部には、処理空間５５が構成される。処理凹部２６の底面２６ａは、処理基板４の処理部４１と上下方向に対向する。処理空間５５は、上下方向において、処理凹部２６の底面と処理基板４の上面４ａとの間に設けられる。すなわち、処理空間５５は、上下方向において第２基板２０と処理基板４との間に設けられる。

処理凹部２６の底面２６ａには、一対の挿通孔２９が設けられる。挿通孔２９は、第２基板２０を板厚方向に貫通する貫通孔である。すなわち、第２基板２０には、一対の挿通孔２９が設けられる。挿通孔２９は、第２基板２０の上面２０ａ側において、流路５０に開口し、第２基板２０の下面２０ｂ側において、処理空間５５に開口する。すなわち、一対の挿通孔２９は、第１基板１０と第２基板２０との間の流路５０と、処理空間５５と、を接続する。溶液は、一対の挿通孔２９のうち、一方の挿通孔２９を介して処理空間５５に流入し、他方の挿通孔２９を介して処理空間５５から流路５０に流出する。上下方向から見て、一対の挿通孔２９の間には、処理部４１が配置される。このため溶液は、処理空間５５を通過する際に、処理部４１の表面に接触する。

図３に示すように処理空間５５は、上下方向から見てシール部５に囲まれる。処理空間５５は、第２基板２０における処理凹部２６の底面２６ａと、シール部５と、処理基板４の上面４ａとに囲まれる。シール部５は、上下方向から見て環状である。図６に示すように、シール部５の上側を向く面は、第２基板２０の下面２０ｂ（より具体的には、段差面２６ｂ）と接触する。シール部５の上側を向く面は、処理基板４の上面４ａと接触する。また、シール部５は、上下方向から見て、処理空間５５を囲む。
なお、本明細書において、「上下方向から見て環状」とは、上下方向から見て円形である場合に限定されない。すなわち、すなわち、シール部５は、上下方向から見て、所定の領域（本実施形態において、処理空間５５および処理空間５５内の処理部４１）を囲む形状であればよい。

シール部５は、例えば弾性材料から構成される。シール部５に採用可能な弾性材料としては、ゴム、エラストマー樹脂などが例示される。シール部５と第２基板２０とは、互いに異材質で一体的に構成されていてもよい。例えば、シール部５と第２基板２０とは、ダブルモード成形としての二色成形、インジェクション成形、インサート成形等により一体的に成形された成形体である。また、第２基板２０には、シール部５に加えて、複数のバルブＶ、Ｖａ、Ｖｉ、Ｖｏおよびセプタム７１ａが一体的に設けられていてもよい。シール部５と複数のバルブＶ、Ｖａ、Ｖｉ、Ｖｏおよびセプタム７１ａとは、同一の材料から構成されていてもよい。この場合、２種の樹脂材料を用いた二色成形（ダブルモード成形）によって、第２基板２０と複数のバルブＶ、Ｖａ、Ｖｉ、Ｖｏおよびセプタム７１ａを一体的に成形できる。シール部５は処理空間５５において処理部４１の表面に接触する流体を密閉することが可能であれば、第２基板２０とは独立した別個の部材であってもよい。

処理凹部２６の内周面には、段差面２６ｂが設けられる。段差面２６ｂは、処理基板４の上面４ａに対向する。シール部５は、段差面２６ｂと処理基板４の上面４ａとの間に挟み込まれる。すなわち、シール部５は、第２基板２０の下面２０ｂと処理基板４の上面４ａとの間に挟み込まれる。

処理凹部２６の段差面２６ｂには、凹溝２６ｃが設けられる。凹溝２６ｃは、上下方向から見て、環状に設けられる。凹溝２６ｃの内部にはシール部５を構成する弾性材料が充填される。段差面２６ｂに凹溝２６ｃが設けられることで、段差面２６ｂとシール部５との接触面積が増加する。これにより、第２基板２０にシール部５を二色成形する場合に、第２基板２０に対するシール部５の剥離強度を高めることができる。

本実施形態において、流体デバイス１は、流路５０が設けられた基材２と、溶液を処理する処理部４１が実装された処理基板４と、を有する。また、処理部４１は、流路５０と繋がる処理空間５５に配置される。このため、処理空間５５は、溶液の液漏れを抑制すために、封止することが望まれる。処理基板４と基材２とは、互いに異種材料であるため、溶着などの手段によって処理空間５５を封止することは困難である。

本実施形態の流体デバイスによれば、基材２と処理基板４との間にシール部５が挟み込まれている。また、上下方向からみてシール部５の内側に処理空間５５が設けられる。このため、処理空間５５を封止して、処理空間５５内の溶液が外部に流出することを抑制できる。

本実施形態によれば、処理空間５５は、第２基板２０に設けられた処理凹部２６の内部空間として構成される。処理凹部２６の底面２６ａは、処理部４１と上下方向に対向する。これに対して、第２基板に処理部を内包する大きな貫通孔を設けて処理基板の上面と第１基板の下面との間の空間を処理空間とすることも考えられる。しかしながら、処理凹部２６を設けることで、上下方向における処理空間５５の流路幅を小さくすることができ、処理空間５５を通過する溶液内の検体分子が、処理部４１に衝突する頻度を増加させることができる。これにより、処理部４１による処理効率を高めることができる。

本実施形態によれば、処理凹部２６の内周面に段差面２６ｂが設けられ、段差面２６ｂと処理基板４の上面４ａとの間で、シール部５が挟み込まれる。このため、段差面２６ｂの深さによって、シール部５の圧縮率を容易に設定することができ、シール部５による処理空間５５の封止の信頼性を高めることができる。
なお、本実施形態において、シール部５は、第２基板２０に一体的に成形されているが、シール部５と第２基板２０とは、別部材であってもよい。シール部５が第２基板２０と別部材である場合には、段差面２６ｂにシール部５を配置することで、第２基板２０に対するシール部５の位置ズレを抑制することができる。

本実施形態によれば、第２基板２０に設けられた一対の挿通孔２９によって、第１基板１０と第２基板２０との間に設けられた流路５０と処理空間５５とが繋げられる。このため、シール部５による封止を確保しつつ、流路５０から処理空間５５に溶液を供給することができる。
なお、本実施形態において、挿通孔２９は、第２基板２０の板厚方向と平行に延びる。また、本実施形態において、挿通孔２９は、板厚方向に沿って一様な断面積の円形である。しかしながら、挿通孔２９の形状は、本実施形態に限定されない。例えば、挿通孔２９は、第２基板２０の板厚方向に対して傾斜して延びていてもよい。この場合、挿通孔２９を介して、流路５０から処理空間５５にスムーズに溶液を導入することができる。

本実施形態によれば、第２基板２０および第３基板３０に、それぞれ上下方向から処理基板４の一部を収容する収容凹部（第１収容凹部２１および第２収容凹部３１）が設けられる。これにより、第２基板２０の下面２０ｂと第３基板３０の上面３０ａとが互いに接触する。したがって、第２基板２０と第３基板３０とを互いの接触面において溶着などの固定手段により固定することで、基材２に対して処理基板４を容易に固定することができる。加えて、第２基板２０と第３基板３０との間に処理基板４を挟み込んだ状態で、第２基板２０と第３基板３０とを接触させて固定することで、第２基板２０と処理基板４との間に挟み込まれたシール部５を定常的に圧縮することができる。結果的に、処理空間５５の封止の信頼性を高めることができる。なお、基材２には、第１収容凹部２１および第２収容凹部３１のうち何れか一方が設けられていればよい。

図７は、図３のVII−VII線に沿う流体デバイス１の断面図である。
第２基板２０の下面２０ｂと、第３基板３０の上面３０ａとは、処理基板４の周囲において互いに接触する。第２基板２０の下面２０ｂおよび第３基板３０の上面３０ａにおいて、互いに接触する領域を接触面６と呼ぶ。すなわち、処理基板４を上下方向から挟み込む一対の基板（第２基板２０および第３基板３０）は、それぞれ他方の基板と板厚方向に対向して接触する接触面６を有する。

接触面６の少なくとも一部には、一対の基板（第２基板２０および第３基板３０）同士を溶着する溶着部６ａが設けられる。

溶着部６ａは、第２基板２０と第３基板３０とを互いに接合する。溶着部６ａは、第２基板２０および第３基板３０の接触面６の一部を溶融させ再凝固させることで、第２基板２０および第３基板を互いに接合する。溶着手段としては、例えば、レーザ溶着、超音波溶着、熱溶着等が挙げられる。

処理基板４には、板厚方向に貫通する複数（本実施形態では３つ）の貫通孔４７が設けられる。また、図２に示すように、本実施形態において、貫通孔４７は、上下方向から見て円形である。貫通孔４７の直径は、貫通孔４７の全長において一様である。３つの貫通孔４７は、上下方向から見て、処理部４１の周囲において、処理部４１を囲んで配置される。貫通孔４７は処理基板４において、処理部４１以外の部分に設けられている。

図８は、図７の領域VIIIの拡大図である。
図８に示すように、第２基板２０には、第３基板３０側に突出する第１凸部（凸部、突出部）２７が設けられる。第１凸部２７は、第２基板２０の第１収容凹部２１の底面２１ａから下側に延びる。第１凸部２７は、上下方向から見て円形である。第１凸部２７は、処理基板４の貫通孔４７に挿入される。第１凸部２７は、貫通孔４７に嵌合する。第１凸部２７は、柱状であり、処理基板の貫通孔４７に挿入される支柱部材である。第１凸部２７は、処理基板４に設けられた貫通孔４７と同数だけ、第２基板２０に設けられる。すなわち、本実施形態の第２基板２０には、３つの第１凸部２７が設けられる。

第３基板３０には、第２基板２０側に突出する第２凸部（凸部、突出部）３７が設けられる。第２凸部３７は、第３基板３０の第２収容凹部３１の底面３１ａから上側に延びる。第２凸部３７は、上下方向から見て円形である。第２凸部３７は、処理基板４の貫通孔４７に挿入される。第２凸部３７は、貫通孔４７に嵌合する。第２凸部３７は、柱状であり、処理基板の貫通孔４７に挿入される支柱部材である。第２凸部３７は、処理基板４に設けられた貫通孔４７と同数だけ、第３基板３０に設けられる。すなわち、本実施形態の第３基板３０には、３つの第２凸部３７が設けられる。

第１凸部２７および第２凸部３７は、上下方向から見て互いに重なりあう。第１凸部２７および第２凸部３７は、処理基板４の貫通孔４７に、上側および下側からそれぞれ挿入される。第１凸部２７の先端（下端）および第２凸部３７の先端（上端）は、貫通孔４７の内部で互いに接触する。すなわち、第１凸部２７の先端および第２凸部３７の先端には、一対の基板（第２基板２０および第３基板３０）同士が互いに接触する接触面６が設けられる。また、第１凸部２７の先端および第２凸部３７の先端の接触面６には、溶着部６ａが位置する。したがって、第２基板２０と第３基板３０とは、処理基板４の貫通孔４７の内部においても互いに接合されている。

本実施形態において、流体デバイス１は、流路５０が設けられた基材２と、溶液を処理する処理部４１が実装された処理基板４と、を有する。また、処理基板４は、前述の通り、第２基板２０と第３基板３０との溶着により、基材２に対して固定される。一般的に、実装部品を有する処理基板としては、一般的に絶縁性に優れたガラスエポキシなどが用いられる。一方で、基材は、溶液を流れる流路が設けられるために、加工性に優れた樹脂材料が採用される。すなわち、一般的に処理基板４と基材２とは互いに異種材料である。また、一般的に流体デバイスでは、小型化などを目的として、基板同士の固定に溶着が好適に採用される。異種材料である処理基板４と基材２とを溶着によって直接的に固定する場合、十分な信頼性を得難いという問題があった。

本実施形態の流体デバイス１によれば、基材２が、処理基板４を板厚方向に挟み込む第２基板２０および第３基板３０を有する。また、第２基板２０および第３基板３０は、互いに接触面６を有し、接触面６に溶着部６ａが設けられる。溶着部６ａは、第２基板２０および第３基板３０を互いに溶着する。したがって、処理基板４と基材２との材質が異種材料であっても、基材２に対して、処理基板４を固定することができる。これにより、基材２に対する処理基板４の固定の信頼性を高めることができる。第２基板２０と第３基板３０とは接合性の良い材料であることが好ましい。また、第２基板２０と第３基板３０とが同種の材料である場合、異種材料と接合している場合と比べて線膨張係数の違いによる影響を受けにくい。

また、本実施形態の第２基板２０および第３基板３０には、それぞれ処理基板４に設けられた貫通孔４７に、反対側から挿入され貫通孔４７の内部で接触する凸部（第１凸部２７および第２凸部３７）がそれぞれ設けられる。また、第１凸部２７および第２凸部３７の先端には、互いに接触する接触面６が設けられる。第１凸部２７および第２凸部３７の先端の接触面６には、溶着部６ａが位置する。

このため本実施形態によれば、上下方向から見て、溶着部６ａを処理基板４の外縁より内側に配置させることができる。溶着部６ａが処理基板４の外縁より内側に位置するため、基材２に対し処理基板４に応力が加わった場合であっても、溶着部６ａの剥離を効果的に抑制できる。結果的に、基材２に対する処理基板４の固定の信頼性をさらに高めることができる。

本実施形態によれば、溶着部６ａが処理基板４の外縁より内側に位置するため、溶着部６ａを第２基板２０と処理基板４との間に挟み込まれるシール部５に近づけて配置することができる。シール部５と溶着部６ａが離れて配置されると、第２基板２０および処理基板４がシール部５の反力によりたわみ、シール部５の圧縮が不十分となる虞がある。本実施形態によれば、溶着部６ａが処理基板４の外縁より内側に位置するため、第２基板２０および処理基板４のたわみの影響を小さくして、シール部５による処理空間５５の封止の信頼性を高めることができる。

なお、本実施形態では、第２基板２０および第３基板３０にそれぞれ、貫通孔４７に挿入される凸部（第１凸部２７および第２凸部３７）が設けられる場合について説明した。しかしながら、一対の基板（第２基板２０および第３基板３０）のうち何れか一方に、凸部が設けられていてもよい。例えば、第２基板２０に第１凸部２７が設けられ、第３基板３０に凸部が設けられない場合、第１凸部２７は、貫通孔４７の全長を貫通して、貫通孔４７の下端において第２基板に接触し溶着される。
すなわち、一対の基板（第２基板２０および第３基板３０）のうち少なくとも一方に、他方の基板側に突出し貫通孔４７に挿入される凸部が設けられ、凸部の先端に、他方の基板に接触する接触面が設けられ、溶着部が、凸部の先端の接触面に位置していていればよい。このような構成であれば、溶着部６ａを処理基板４の外縁より内側に位置させることができる。

本実施形態によれば、第２基板２０に設けられた第１凸部２７が処理基板４の貫通孔４７に挿入されるため、処理基板４に対して第２基板２０を板厚と直交する方向において位置合わせできる。これにより、第２基板２０の処理凹部２６の中央に処理部４１を正確に配置できる。また、第２基板２０の下面２０ｂに一体的に成形されたシール部５を処理基板４の所定の位置に正確に押し当てて、処理空間５５の封止の信頼性を高めることができる。

同様に、本実施形態によれば、第３基板３０に設けられた第２凸部３７が処理基板４の貫通孔４７に挿入されるため、処理基板４に対して第３基板３０を板厚と直交する方向において位置合わせできる。

図３に示すように、本実施形態によれば、溶着部６ａは、上下方向から見て、処理基板４の外縁の周囲と、処理基板４の外縁より内側に位置する貫通孔４７の内側と、にそれぞれ設けられる。これにより、基材２に対して処理基板４をより強固に固定することができる。

図８に示すように、本実施形態の第３基板３０において、第２収容凹部３１の底面３１ａから突出する第２凸部３７の高さは、第２収容凹部３１の深さと一致する。したがって、第１凸部２７および第２凸部３７の先端同士に位置する接触面６の板厚方向の位置は、処理基板４の周囲における第２基板２０と第３基板３０との接触面６の板厚方向の位置と、一致する。また、本実施形態の溶着部６ａは、レーザ光により接触面６の一部を溶融、再凝固させて形成されるレーザ溶着部である。処理基板４の外縁の外側および貫通孔４７の内側に位置する溶着部６ａの板厚方向の位置を互いに一致させることで、それぞれの溶着部６ａを形成する際のレーザ光のスポット径および出力などの溶着条件を同一とすることができる。したがって、本実施形態によれば、処理基板４の外縁の外側および貫通孔４７の内側の溶着部６ａを、単一の溶着条件によって形成することができ、流体デバイス１の生産性を高めることができる。

また、本実施形態によれば、処理基板４に設けられた複数の貫通孔４７が、上下方向から見てシール部５の周囲を囲んで配置される。このため、シール部５を溶着部６ａによって一様に圧縮することができ、シール部５による処理空間５５の封止の信頼性を高めることができる。

本実施形態において、溶着部６ａによって互いに溶着される一対の基板（第２基板２０および第３基板３０）は、同種の樹脂材料である。同種の樹脂材料同士は、熱膨張率が近い。第２基板２０と第３基板３０とを同種の樹脂材料とすることで、周囲環境の温度変化や、処理部４１の発熱によって、第２基板２０および第３基板３０が熱膨張又は熱収縮した場合であっても、溶着部６ａに加わる熱応力を軽減できる。これにより、溶着部６ａに損傷が生じることを抑制して、基材２に対する処理基板４の固定の信頼性を高めることができる。

第２基板２０を構成する樹脂材料と第３基板３０を構成する樹脂材料との組み合わせとしては、互いに相溶性を有する樹脂材料を採用することが好ましい。相溶性が高い樹脂材料同士を溶着することで、界面剥離の発生を抑制できる。相溶性が高い樹脂材料としては、同種の樹脂材料である他に、PCとABS、PCとPETの組み合わせ等が例示される。

また、本実施形態では、第１基板１０と第２基板２０についても、互いに溶着されている。このため、第１基板１０と第２基板２０についても、上述の関係を満たす同種の樹脂材料であることが好ましい。

本実施形態において、溶着部６ａは、レーザ溶着部である。すなわち、溶着部６ａは、接触面６にレーザ光を照射して接触面６における第２基板２０および第３基板３０を溶融させ再凝固させることで、形成される。レーザ溶着を用いることで、局所的な溶着が可能となる。また、レーザ光を走査させることで、処理基板４の外縁の外側および貫通孔４７の内側を、１度の溶着工程で溶着させることができる。

溶着部６ａがレーザ溶着部である場合、溶着部６ａによって互いに溶着される一対の基板（第２基板２０および第３基板３０）のうち一方が光を透過し、他方が光を吸収する構成とされる。本実施形態においては、第３基板３０は、光を透過する樹脂材料から構成され、第２基板２０は、光を吸収する樹脂材料から構成される。これにより、光を透過する第３基板３０側からレーザ光を照射して、光を吸収する第２基板２０の表面を加熱することができる。また、本実施形態では、第１基板１０と第２基板２０についても、互いにレーザ溶着されている。このため、第１基板１０は、光を透過する樹脂材料から構成される。

（変形例１）
上述の実施形態に採用可能な処理基板４の固定方法について、変形例１として、図９を基に説明する。図９は、上述の実施形態の説明における図８に対応する図である。
なお、上述の実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。

本変形例の基材１０２は、上述の実施形態と同様に、処理基板４を上下方向から挟み込む第２基板１２０と第３基板１３０とを有する。また、処理基板４には、第１貫通孔１４７が設けられる。

本変形例において、第３基板１３０には、処理基板４の第１貫通孔１４７と重なる第２貫通孔１３７が設けられる。第１貫通孔１４７および第２貫通孔１３７は、上下方向から見て円形である。また、第１貫通孔１４７および第２貫通孔１３７の直径は、略等しい。

第２基板１２０には、第３基板１３０側に突出する凸部１２７が設けられる。凸部１２７は、柱状部１２７ａと、柱状部１２７ａの先端に位置する熱かしめ部１２７ｂと、を有する。

柱状部１２７ａは、板厚方向と直交する断面形状が円形である。柱状部１２７ａの直径は、第１貫通孔１４７および第２貫通孔１３７の直径より小さい。柱状部１２７ａは、第１貫通孔１４７および第２貫通孔１３７に挿入される。

熱かしめ部１２７ｂは、熱かしめ用の治具によって、柱状部１２７ａの先端を熱によって溶融し再凝固させた部分である。熱かしめ部１２７ｂは、下側に凸となる略半球形状である。熱かしめ部１２７ｂは、第３基板１３０の下面１３０ｂの下側に位置する。熱かしめ部１２７ｂは、上下方向から見て第１貫通孔１４７および第２貫通孔１３７の径方向外側まで拡がって形成されている。熱かしめ部１２７ｂの上側を向く面は、第３基板１３０の下面１３０ｂに接触する。

本変形例によれば、熱かしめ部１２７ｂが第３基板１３０の下側への移動を抑制する。このため、第２基板１２０および第３基板１３０が処理基板４を挟み込んだ状態で、第２基板１２０に対し第３基板１３０が固定される。また、第２基板１２０と第３基板１３０との間に挟み込まれる処理基板４が、基材１０２に固定される。

本変形例では、第２基板１２０が、熱かしめ部１２７ｂを有する場合について説明した。しかしながら、第３基板１３０が熱かしめ部を有していてもよい。すなわち、一対の基板（第２基板および第３基板）のうち一方の基板と処理基板とに互いに重なり合う貫通孔が設けられ、一対の基板（第２基板および第３基板）のうち他方の基板に、２つの貫通孔に挿入される凸部が設けられ、凸部の先端に熱かしめ部が形成されていればよい。

以上に、本発明の実施形態およびその変形例について説明したが、各実施形態およびその変形例における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。

１…流体デバイス、２，１０２…基材、４…処理基板、４ａ…上面（第２対向面）、５…シール部、１０…第１基板、２０，１２０…第２基板、２０ｂ…下面（第１対向面）、２１…第１収容凹部（収容凹部）、２６ｂ…段差面、２９…挿通孔（貫通孔）、３０，１３０…第３基板、３０ａ…上面（第３対向面）、３１…第２収容凹部（収容凹部）、４１…処理部、４７…貫通孔、５０…流路、５５…処理空間

Claims (10)

1. 溶液が流れる流路と、第１対向面と、を有する基材と、
   前記第１対向面に対向し、前記溶液と接触して前記溶液を処理する処理部が設けられた第２対向面を有する処理基板と、
   前記第１対向面と前記第２対向面との間に挟み込まれるシール部と、を備え、
   前記処理基板と前記基材との間には、前記処理部を板厚方向から見て前記シール部で囲み、前記流路と接続する処理空間が設けられる、
   流体デバイス。
2. 前記基材は、板厚方向に積層された第１基板および第２基板を有し、
   前記流路は、前記第１基板と前記第２基板との間に設けられ、
   前記第２基板は、前記第１対向面を有し、
   前記第１対向面には、内部に前記処理空間を構成する凹部が設けられ、
   前記凹部の底面は、前記処理部と対向する、
   請求項１に記載の流体デバイス。
3. 前記凹部の内周面には、前記第２対向面に対向する段差面が設けられ、
   前記シール部は、前記段差面と前記第２対向面との間に挟み込まれる、
   請求項２に記載の流体デバイス。
4. 前記第２基板には、板厚方向に貫通して前記流路と前記処理空間とを接続する一対の貫通孔が設けられる、
   請求項２又は３に記載の流体デバイス。
5. 前記基材は、第３基板を有し、
   前記第３基板は、前記第１対向面に対向する第３対向面を有し、
   前記処理基板は、前記第１対向面と前記第３対向面との間に挟み込まれる、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の流体デバイス。
6. 前記第１対向面には、前記処理基板の少なくとも一部を収容する収容凹部が設けられる、
   請求項５に記載の流体デバイス。
7. 前記第３対向面には、前記処理基板の少なくとも一部を収容する収容凹部が設けられる、
   請求項５に記載の流体デバイス。
8. 前記第１対向面と前記第３対向面との間には、前記溶液が収容され、前記流路に前記溶液を供給するリザーバーが設けられる、
   請求項５〜７の何れか一項に記載の流体デバイス。
9. 前記流路は、ループ状の循環流路を有し、
   前記循環流路には、複数の定量バルブが設けられる、
   請求項８に記載の流体デバイス。
10. 前記循環流路は、前記定量バルブにより複数の区画に画定され、
    それぞれの前記区画の一端には、前記リザーバーに繋がる導入流路が接続される、
    請求項９に記載の流体デバイス。

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