JP4392554B2 - 科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は科学現象の評価装置、理科実験教材、及びその製造方法に係り、特に、安価で、環境負荷が小さく、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、理科実験教材、及びその製造方法に関する。

科学現象の評価装置や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。）。

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いる。

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。
特開２０００−２４２１６２号公報

しかしながら、従来のこの種の科学現象の評価装置として、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。

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く、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く、その分薬品など使用量が多く、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。

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。特に、最近はマイクロテクノロジーやナノテクノロジーの先端技術が脚光をあびており、微細流路であるマイクロチャンネルの中で起きる物質の拡散現象を手軽に観察することのできる実験教材が要望されている。しかし、マイクロな科学実験に必要なものは非常に精度の良い微細流路であり、このような微細流路を如何に精度良く且つ安価に組み立てるかが科学実験を行う上で重要になる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、安価で、環境負荷が小さく、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、理科実験教材、及びその製造方法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、板状体の表面に断面積が１ｍｍ^２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、前記基板と前記覆い板とが合わさった両側から挟み付けて該基板と覆い板とを支持するケーシングと、を備え、前記ケーシングは、前記基板と前記覆い板とが合わさった両側に当てがう透明な一対の当て板と、前記一対の当て板同士を、前記基板と前記覆い板とを挟み付けるように連結する連結手段と、により前記基板と前記覆い板とを接着剤を使用せずに密着させると共に、前記基板及び／又は覆い板を透明にすることで、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ことを特徴とする科学現象の評価装置を提供する。

本発明によれば、この評価装置には、断面積が１ｍｍ² 以下の微細な流路が形成されているので、先端技術を体験するのに十分な精度が得られる。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。

また、基板と覆い板はケーシングで両側から挟み付けられているので、基板と覆い板との密着性がよくなる。ケーシングとしては、例えば基板と前記覆い板とが合わさった両側に当てがう透明な一対の当て板と、一対の当て板同士を、基板と覆い板とを挟み付けるように連結する連結手段とで構成することができる。従って、実験中に、基板と覆い板と間から液漏れすることがないと共に、覆い板の破損も防止できる。

ここで、「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。

尚、微細な流路の断面積としては１ｍｍ² 以下であり、０．００２５〜０．６４ｍｍ² がより好ましく、０．０１〜０．２５ｍｍ² が最も好ましい。

本発明において、前記基板及び／又は覆い板が透明であることが好ましい。また、本発明において、前記基板及び／又は覆い板が樹脂材よりなることが好ましい。基板及び／又は覆い板が透明であれば、流路内の科学現象が視覚により認識でき、また、基板及び／又は覆い板が樹脂材よりなるのであれば、評価装置を安価に提供できる。

また、本発明において、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いることが好ましい。このように、複数の流路の一端が、一箇所の合流点で合流しており、流路の他端が液溜め部と連通していることにより、各種の実験が可能となる。

また、本発明において、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いることが好ましい。

このように、３本の流路と３個の液溜め部よりなる構成とすれば、マイクロなチャンネルの中で起こる拡散現象等を簡便な方法で確認でき、先端技術を手軽に楽しむのに好適である。

また、本発明において、前記覆い板には、前記第１液溜め部、第２液溜め部及び第３液溜め部の１以上と外気とが連通可能な貫通孔が形成されていることが好ましい。このように、液溜め部と外気とが連通していれば、貫通孔は液溜め部に液体を導入する導入口として利用したり空気抜き孔として利用できるだけでなく、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。

また、請求項６の発明は前記目的を達成するために、請求項１〜５のいずれか１項に記載の科学現象の評価装置が携帯式の実験装置であることを特徴とする理科実験教材を提供する。

請求項１〜５の何れか１の構成を有する評価装置は理科実験教材として極めて有効だからである。

請求項７の発明は前記目的を達成するために、請求項１〜５のいずれか１項に記載の科学現象の評価装置の製造方法、又は請求項６に記載の理科実験教材の製造方法であって、基板に形成される長溝の反転形状が表面に形成されている反転型板を使用して、該反転型板の表面に樹脂材を塗布し、該樹脂材を硬化させ、硬化後の該樹脂材を前記反転型板より剥離することにより前記基板を形成する基板形成工程と、前記基板の表面に覆い板を合わせて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合わせ工程と、前記合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、前記基板及び覆い板を挟み付けるように支持することにより前記基板と覆い板を密着させるケーシング取り付け工程と、から成ることを特徴とする科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法を提供する。

本発明によれば、基板形成工程において、長溝の反転形状が表面に形成されている反転型板を使用して転写成形により基板を形成するので、精度よく、かつ、安価に基板が提供でき、評価装置を安価にできる。ここで、「反転型板の表面に樹脂材を塗布し、該樹脂材を硬化させ、」とあるが、反転型板の表面に樹脂材を当て、ホットプレス等により長溝の形状を樹脂材の表面に転写形成する等の方法も、同一技術思想に基づくものであり、本発明の均等範囲であると言える。

次に、合わせ工程において、合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、基板及び覆い板を挟み付けるように支持することにより基板と覆い板を密着させる。そして、次のケーシング取り付け工程において、合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、基板及び覆い板を挟み付けるように支持する。これにより、微細な流路を精度良く組み立てることができるので、実験中に、基板と覆い板との間から液漏れすることがないと共に、覆い板の破損も防止できる。従って、本発明の製造方法によれば、微細な流路を精度良く且つ安価に組み立てることができる。かかる反転型板を使用した科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法は、特に樹脂材として軟質性樹脂を使用した場合に好適である。

請求項８の発明は前記目的を達成するために、請求項１〜５のいずれか１項に記載の科学現象の評価装置の製造方法、又は請求項６に記載の理科実験教材の製造方法であって、マシニングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチング加工、マイクロドリル加工の何れか１つの微細加工方法により、基板の表面に長溝を形成する基板形成工程と、前記基板の表面に覆い板を合わせて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合わせ工程と、前記合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、前記基板及び覆い板を挟み付けるように支持することにより前記基板と覆い板を密着させるケーシング取り付け工程と、から成ることを特徴とする科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法を提供する。

本発明によれば、基板形成工程において、マシニングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチング加工、マイクロドリル加工の何れか１つの微細加工方法により、基板の表面に長溝を形成するので、精度よく、かつ、安価に基板が提供でき、評価装置を安価にできる。

次に、合わせ工程において、合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、基板及び覆い板を挟み付けるように支持することにより基板と覆い板を密着させる。そして、次のケーシング取り付け工程において、合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、基板及び覆い板を挟み付けるように支持する。これにより、微細な流路を精度良く組み立てることができるので、実験中に、基板と覆い板との間から液漏れすることがないと共に、覆い板の破損も防止できる。従って、本発明の製造方法によれば、微細な流路を精度良く且つ安価に組み立てることができる。かかる微細加工方法を使用した科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法は、特に樹脂材として硬質性樹脂を使用した場合に好適である。

本発明の請求項７又は８において、前記ケーシング取り付け工程は、前記基板と前記覆い板とが合わさった両側に透明な一対の当て板を当てがい、該一対の当て板同士を連結手段で挟み付けるように連結することが好ましい。基板と覆い板とが合わさった両側に透明な一対の当て板で挟み付けることで、基板と覆い板とに密着性改良のための加工を施す必要がないと共に、一対の当て板を透明にすることで、流路での科学現象を目視することができる。

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）等の各種の現象を含むものである。

以上説明したように、本発明によれば、この評価装置には、断面積が１ｍｍ² 以下の微細な流路が形成されているので、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。

また、ケーシングを設けることにより、液漏れ等のない非常に精度の良い微細流路を精度良く且つ安価に組み立てることができる。

以下、添付図面に従って、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好ましい実施の形態について詳説する。図１は、本発明に係る科学現象の評価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の部分拡大断面図等であり、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。

すなわち、理科実験教材１０は、板状体の表面に断面積が１ｍｍ² 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に微細な流路（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。

上記の長溝（１４、１６及び２０）により形成される微細な流路は、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。

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である第３液溜め部２８と連通している。

更に、覆い板２２の第３液溜め部２８に相対する部分には、第３液溜め部２８と外気とが連通可能な貫通孔３０が形成されている
第１液溜め部２４、第２液溜め部２６及び第３液溜め部２８の容積は、５〜５０００ｍｍ³ 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。

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、８０×５０ｍｍ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。

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・メタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（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。

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、１ｍｍ² 以下であり、０．００２５〜０．６４ｍｍ² がより好ましく、０．０１〜０．２５ｍｍ² が最も好ましい。この長溝（１４、１６及び２０）の断面形状は、特に制限はなく、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が、後述する製造方法を容易にする点より、矩形（正方形、長方形）が好ましい。

覆い板２２の材質としては、特に制限はないが、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）、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（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）、トリアセチルセルロース（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。

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、微細な流路（１４Ａ、１６Ａ及び２０Ａ）に対応する表面を蒲鉾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。

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。

基板１２の表面（長溝が形成される面）及び覆い板２２の裏面（基板１２に密着する面）は、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いることが好ましい。

次に、理科実験教材１０の製造方法を説明する。

基板１２の形成方法の好適な手法としては、基板１２の形成に反転型板４０を使用する方法と、マシニングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチング加工、マイクロドリル加工の何れか１つの微細加工方法を使用する方法とがある。

図４及び図５は、反転型板４０を使用する方法である。図４（Ａ）は反転型板４０の上面図、図４（Ｂ）は反転型板４０の側面断面図、図４（Ｃ）は覆い板２２の側面断面図、図４（Ｄ）は覆い板２２の上面図である。尚、第１及び第２液溜め部２４、２６を覆い板２２に形成して貫通孔３０を省略すると共に、第３液溜め部２８を基板１２に形成して第３液溜め部２８の貫通孔３０を覆い板２２に形成する場合で説明する。

先ず、基板１２の長溝（１４、１６及び２０）の反転形状が表面に形成されている反転型板４０を準備する。この反転型板の表面には、更に第３液溜め部２８の反転形状を形成しておく必要がある。即ち、この反転型板４０の表面には、反転したときに長溝（１４、１６及び２０）となる凸状の流路型４２と凸状の第３液溜め部型４４とが形成されている。この反転型板４０の製造方法としては、マシニングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチング加工、マイクロドリル加工等、公知の各種の微細加工方法が採用できる。また、覆い板２２には微細加工方法により、第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６となる２つの型枠４６、４６を穿設すると共に、第３液溜め部の貫通孔３０を穿設する。

次いで、この反転型板４０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。

次いで、図５（Ａ）に示すように、反転型板４０の周りを型枠４６で囲った後、反転型板４０の表面（凸状の流路型４２と凸状の第３液溜め部型４４とが形成されている側）に樹脂材を流し込んで塗布し、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ニル（ＰＶＣ）のような熱可塑性樹脂である場合には、反転型板４０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。

そして、図５（Ｂ）に示すように、硬化後の樹脂材を反転型板４０より剥離する。これにより、長溝（１４、１６及び２０）及び第３液溜め部２８が形成された基板１２が製作される。

次に、形成した基板１２と、予め用意しておいた図４（Ｄ）の覆い板２２とを図５に示すように合わせる。合わせ面を接着剤等により接着してもよい。

次に、図５（Ｄ）に示すように、基板１２と覆い板２２の上下を反転させてから、基板１２と覆い板２２とにケーシング４９を取り付ける。即ち、基板１２と覆い板２２とが合わさった両側に透明な一対の当て板４８、４８を当てがい、該一対の当て板４８同士を連結手段である複数のボルト５０、５０…とナット５２、５２…とで挟み付けるように連結する。この場合、基板１２と覆い板２２とが合わさった状態の少なくとも４角をボルト５０とナット５２とで均等に挟み付けることが好ましい。これにより、密着性が良くなるので、実験中に、基板１２と覆い板２２との間から液漏れしたり、基板１２や覆い板２２が破損したりすることがない。

また、微細加工方法を使用する理科実験教材１０の製造方法の場合には、図５（Ｂ）の基板１２の形成に、反転型板４０ではなく、マシニングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチング加工、マイクロドリル加工等の微細加工方法を使用しただけで、図５（Ｃ）及び図５（Ｄ）のステップは同様なので詳しい説明は省略する。

上記した反転型板４０を使用した理科実験教材１０の製造方法は、特に樹脂材として軟質性樹脂を使用した場合に好適である。また、軟質性樹脂のうちでもポリジメチルスルホキシド（ＰＤＭＳ）の場合には、基板１２と覆い板２２との密着性が極めて良いので、覆い板２２及び基板１２の少なくとも基板１２にＰＤＭＳを使用した場合には、ケーシング４９の取り付けを省略することも可能である。

また、上記の微細加工方法を使用した理科実験教材１０の製造方法は、特に樹脂材として硬質性樹脂を使用した場合に好適である。しかし、硬質性樹脂の場合には、基板１２と覆い板２２の密着性が悪くなる傾向があり、ケーシング４９を取り付けることにより、基板１２と覆い板２２との間からの液漏れを確実に防止できる。例えば、基板１２の樹脂材としてポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）の場合には、密着性を改良する点においてケーシング４９は特に有効である。

次に、本発明に係る理科実験教材１０の使用方法について説明する。理科実験教材１０としては、以下の１）〜１２）の部材をセットとして提供する必要がある。

１）反転型板４０
２）基板１２用の樹脂材
３）基板１２形成用の型枠４６
（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）サンプル液用スポイト
（テスト目的に応じて、必要なサンプル液（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）サンプル液出入り口封止用テープ
（サンプル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。サンプル液をピペットで第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。また、第３液溜め部２８の蓋として使用することもできる。）
７）針
（サンプル液を供給する場合、又は、回収する場合、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４９
（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４９には実験目的に沿った各種機能、たとえば、流路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２６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、及び第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。

この場合、前述７）の針を用いて、第３液溜め部２８にテープが貼られている場合には、これに小さな孔を開ける。

また、第３液溜め部２８側をポンプなどを用いて減圧することにより、第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６内にあるサンプル液を流路（１４Ａ、１６Ａ及び２０Ａ）に入れる場合には、第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６のテープ蓋に前述７）の針を用いて小さな孔を開けることにより送液を可能にする。）
１０）試験用サンプル液（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。サンプル液としては、たとえば、色素、又は、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が、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。

このセットを使用した実験の詳細については、以下に詳述する。図６及び図７は、実験方法の手順を示す断面図である。このうち、図６は、第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６における時系列的な手順を示す。一方、図７（Ａ）は、第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６にサンプル液を供給した実験開始の状態を示し、図７（Ｂ）は、第３液溜め部２８にサンプル液が到達した実験終了の状態を示す。

図６（Ａ）に示されるように、サンプル液用スポイト３２により第１液溜め部２４（又は第２液溜め部２６）に所定量のサンプル液３４が供給される。このサンプル液３４は、図６（Ｂ）及び図７（Ａ）に示されるように、第１液溜め部２４（又は第２液溜め部２６）内の流路１４Ａ（又は１６Ａ）と連通する部分を塞ぐように供給される。

次いで、図６（Ｃ）に示されるように、サンプル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。

次いで、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、サンプル液３４を流路１４Ａ（又は１６Ａ）に送り込むことによりなされる。

また、図６（Ｄ）に示される同様の構成において、この送液手段が、指先３８でテープ３６を押して下方に撓ませ、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、サンプル液３４を流路１４Ａ（又は１６Ａ）に送り込むことによりなされるのであってもよい。

以上に説明した送液手段により、図７（Ｂ）に示されるように、サンプル液３４が第３液溜め部２８に到達し、実験が終了する。この際、図１の第１液溜め部２４及び第２液溜め部２６より、それぞれ送液手段により、同時にサンプル液３４を流路１４Ａ及び流路１６Ａに送り込むことにより、サンプル液３４が合流点１８で合流する様が観察できる。

特に、第１液溜め部２４と第２液溜め部２６に供給するサンプル液３４の色を違えておくことにより、サンプル液３４が合流点１８で合流する様が観察しやすい。たとえば、第１液溜め部２４に着色したサンプル液３４を供給し、第２液溜め部２６に無色透明なサンプル液３４を供給する態様である。

実験者は、このようにして流れるサンプル液３４の合流点１８以降の流路２０Ａを観察することにより、マイクロチャンネル内を流れる着色液側から色素、又は、顔料など着色性分子が透明液中に向かって拡散して行く現象を確認することができる。

また、第１液溜め部２４と第２液溜め部２６に供給するサンプル液３４の色を違えておくのみならず、粘度を違えておくことにより、サンプル液３４が合流点１８で合流する様が異なって観察できる。

なお、これらの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。

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子供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。

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。

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く、各種の態様が採り得る。

たとえば、本実施形態では、２種類のサンプル液３４が合流点１８で合流し、色素、又は、顔料など着色性分子が透明液中に向かって拡散して行く現象を観察できる実験教材の例を説明したが、これ以外の各種の実験教材としても適用できる。

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、全ての液溜め部を覆い板２２に形成する態様も採用できる。

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る。

更に、サンプル液（試薬）を液溜め部（２４、２６等）に供給するために、サンプル液用スポイト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。

本発明に係る科学現象の評価装置の構成を説明する平面図 図１の部分拡大断面 図１の部分拡大断面図等 理科実験装置の製造方法において、反転型板を使用して基板を製作する場合に用意する反転型板と覆い板を示した上面図と側面断面図 理科実験装置の製造方法の手順を説明する説明図 実験方法の手順を示す説明図 実験方法の手順を示す説明図

符号の説明

１０…理科実験教材、１２…基板、１４、１６、２０…長溝、１４Ａ…第１の流路、１６Ａ…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、２６…第２液溜め部、２８…第３液溜め部、３０…貫通孔、３２…サンプル液用スポイト、３４…サンプル液、３６…封止用テープ、３８…指先、４０…反転型板、４２…凸状の流路型、４４…凸状の第３液溜め部型、４６…型枠、４８…当て板、４９…ケーシング、５０…ボルト、５２…ナット

Claims (9)

1. 板状体の表面に断面積が１ｍｍ^２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、
   前記基板と前記覆い板とが合わさった両側から挟み付けて該基板と覆い板とを支持するケーシングと、を備え、
   前記ケーシングは、
   前記基板と前記覆い板とが合わさった両側に当てがう透明な一対の当て板と、
   前記一対の当て板同士を、前記基板と前記覆い板とを挟み付けるように連結する連結手段と、により前記基板と前記覆い板とを接着剤を使用せずに密着させると共に、
   前記基板及び／又は覆い板を透明にすることで、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ことを特徴とする科学現象の評価装置。
2. 前記基板及び／又は覆い板が樹脂材よりなる請求項１に記載の科学現象の評価装置。
3. 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５〜５０００ｍｍ^３の液溜め部と連通している請求項１又は２に記載の科学現象の評価装置。
4. 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５〜５０００ｍｍ^３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５〜５０００ｍｍ^３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５〜５０００ｍｍ^３の第３液溜め部と連通している請求項１〜３のいずれか１項に記載の科学現象の評価装置。
5. 前記覆い板には、前記第１液溜め部、第２液溜め部及び第３液溜め部の１以上と外気とが連通可能な貫通孔が形成されている請求項４に記載の科学現象の評価装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の科学現象の評価装置が携帯式の実験装置であることを特徴とする理科実験教材。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の科学現象の評価装置の製造方法、又は請求項６に記載の理科実験教材の製造方法であって、
   基板に形成される長溝の反転形状が表面に形成されている反転型板を使用して、該反転型板の表面に樹脂材を塗布し、該樹脂材を硬化させ、硬化後の該樹脂材を前記反転型板より剥離することにより前記基板を形成する基板形成工程と、
   前記基板の表面に覆い板を合わせて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合わせ工程と、
   前記合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、前記基板及び覆い板を挟み付けるように支持することにより前記基板と覆い板を密着させるケーシング取り付け工程と、から成ることを特徴とする科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法。
8. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の科学現象の評価装置の製造方法、又は請求項６に記載の理科実験教材の製造方法であって、
   マシニングセンタ等による機械加工、放電加工、超音波加工、フォトエッチング加工、マイクロドリル加工の何れか１つの微細加工方法により、基板の表面に長溝を形成する基板形成工程と、
   前記基板の表面に覆い板を合わせて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合わせ工程と、
   前記合わさった基板及び覆い板にケーシングを取り付けて、前記基板及び覆い板を挟み付けるように支持することにより前記基板と覆い板を密着させるケーシング取り付け工程と、から成ることを特徴とする科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法。
9. 前記ケーシング取り付け工程は、
   前記基板と前記覆い板とが合わさった両側に透明な一対の当て板を当てがい、該一対の当て板同士を連結手段で挟み付けるように連結することを特徴とする請求項７又は８の科学現象の評価装置の製造方法又は理科実験教材の製造方法。

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