JP6936467B2

JP6936467B2 - フィルタ装置

Info

Publication number: JP6936467B2
Application number: JP2017051355A
Authority: JP
Inventors: 精鎮絹田; 将士小林
Original assignee: Optnics Precision Co Ltd
Current assignee: Optnics Precision Co Ltd
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2021-09-15
Anticipated expiration: 2037-03-16
Also published as: JP2018153736A

Description

本発明は、フィルタ装置に関する。

バレル研磨のマス（工作物と研磨石の混合物）から除去対象物を取り除くためのフィルタにおいて、フィルタ溝が除去対象物を落下させ得る溝幅を有し、かつ除去対象物の送り方向に向けて長孔状に形成された構造が開示されている。開口縁の下流側部分には、送り方向に沿って上り勾配でかつ搬送路の上面に連続する傾斜面が形成されている（特許文献１参照）。

また、血液、生理学的流体等の流体サンプルから標的細胞を分離して採集するためのスクリーンフィルタを含む細胞採集装置が開示されている（特許文献２参照）。スクリーンフィルタは、流体サンプルを輸送するための通路に斜めに設置されている。このスクリーンフィルタにより、管壁との境界部に標的細胞の流れを誘導し、該境界部に設けられた排出孔から外部に排出して採集する構造が示されている。

実用新案登録第２５２５８２４号公報特表２０１３−５４１９５８号公報

近年、環境分野におけるＰＭ２．５や医療分野における細胞のような、微細な捕捉対象物を捕捉するために、微細な孔を有するフィルタの使用が検討されている。しかしながら、フィルタに目詰まりが生じると濾過効率が低下するため、目詰まり解消のためにフィルタに衝撃を加えたり、濾過時とは逆方向に流体を流したりする必要がある。また、大量の濾過処理をおこなうプロセスの中で、このような目詰まり除去を円滑に行うことが難しかった。

特許文献１に記載のフィルタは、バレル研磨のマスから除去対象物を取り除くためのフィルタであり、微細な捕捉対象物には対応していない。

また、特許文献２に記載のフィルタについては、濾過孔の大きさが標的細胞の直径よりも小さいとされているが、目詰まり対策については特に考慮されていない。

本発明は、フィルタ装置において、フィルタエレメントの目詰まりを抑制し、微細な捕捉対象物を安定して捕捉可能にすることを目的とする。

第１の態様に係るフィルタ装置は、流体が流入する流入口、前記流体が流れる流路及び前記流体が流出する流出口を有するケーシングと、前記ケーシングに前記流路を横断するように設けられ、前記流入口側に位置する表面から前記流出口側に位置する裏面に貫通し前記流体に混入している捕捉対象物よりも小さい多数の孔を有するフィルタエレメントと、前記ケーシングに設けられ、前記捕捉対象物を取り出す取出し口と、を備え、前記フィルタエレメントに沿った前記流体の流れ方向において、前記表面における前記孔の上流側に設けられ、該孔に連なる凹形状の導入部と、前記表面における前記孔の下流側に設けられ、該孔に連なる凹形状の導出部と、を有し、前記流れ方向に沿った前記孔、前記導入部及び前記導出部の断面において、前記導出部の前記孔側の端部が、前記導入部の前記孔側の端部よりも前記裏面側に位置している。

このフィルタ装置では、多数の孔を有し流路を横断するフィルタエレメントにより、流体に混入している捕捉対象物を捕捉することができる。孔よりも小さい非捕捉対象物や流体は、フィルタエレメントに至ると、該フィルタエレメントの表面を流れ、孔に連なる凹形状の導入部から、該孔に円滑に流入することができる。

一方、流体に混入している捕捉対象物は孔よりも大きいため、該孔を通過できずに捕捉される。孔に連なる凹形状の導出部が有るので、孔で捕捉された捕捉対象物は、フィルタエレメントの表面に沿った流体の流れにより、該孔から容易に除去される。また、導出部の孔側の端部が、導入部の孔側の端部よりもフィルタエレメントの裏面側に位置しているので、捕捉対象物が導入部から孔を跨いで導出部へ移動する。したがって、捕捉対象物が孔に詰まり難い。したがって、捕捉対象物が微細であっても、フィルタエレメントの目詰まりを抑制することができる。

第２の態様は、第１の態様に係るフィルタ装置において、前記導入部及び前記導出部が、前記流れ方向に沿った断面において、段差、斜面又は前記表面側に凸形状となる曲面の少なくとも１つでそれぞれ構成される。

このフィルタ装置では、捕捉対象物の特性に応じて、導入部及び導出部の形状を設定することができる。捕捉対象物が比較的硬い場合には、段差や斜面が好適である。一方、捕捉対象物が比較的柔らかい場合には、捕捉対象物を保護する観点から曲面が好適である。

第３の態様は、第１の態様又は第２の態様に係るフィルタ装置において、前記導入部及び前記導出部が、前記流れ方向に沿った断面において、それぞれ斜面で構成され、前記流れ方向に沿った断面において、前記表面に対する前記導出部の傾斜角度は、前記導入部の傾斜角度よりも小さい。

このフィルタ装置では、流体は、流れ方向に沿った断面において斜面で構成された導入部から孔に流入する。流体に含まれる捕捉対象物は、孔を通過できずに捕捉され、フィルタエレメントの表面に沿った流体の流れにより、導出部を通って除去される。フィルタエレメントの表面に対する導出部の傾斜角度は、該表面に対する導入部の傾斜角度よりも小さいので、捕捉対象物が導出部を通る際の抵抗が少なく、捕捉対象物がより容易に孔から除去される。

第４の態様は、第１〜第３の態様の何れか１態様に係るフィルタ装置において、前記孔が、前記表面側から前記裏面側に向かって次第に広がる形状である。

このフィルタ装置では、孔が、フィルタエレメントの表面側から裏面側に向かって次第に広がっているので、粒子が孔を通過して行く際に、該孔の途中に引っ掛かることが抑制される。このため、フィルタエレメントの目詰まりを更に抑制することができる。

本発明におけるフィルタ装置によれば、フィルタエレメントの目詰まりを抑制し、微細な捕捉対象物を安定して捕捉可能となる。

フィルタ装置の一例を示す断面図である。フィルタ装置の他の例を示す断面図である。フィルタ装置の更に他の例を示す断面図である。（Ａ）は、フィルタエレメントにおける孔、導入部及び導出部の一例を示す拡大平面図である。（Ｂ）は、フィルタエレメントにおける孔、導入部及び導出部の他の例を示す拡大平面図である。フィルタエレメントの第１実施形態を示す拡大断面図である。フィルタエレメントの第２実施形態を示す拡大断面図である。フィルタエレメントの第３実施形態を示す拡大断面図である。フィルタエレメントの第４実施形態を示す拡大断面図である。フィルタエレメントの第５実施形態を示す拡大断面図である。フィルタエレメントの第６実施形態を示す拡大断面図である。フィルタエレメントの第７実施形態を示す拡大断面図である。（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれフィルタエレメントの製造工程におけるステップＳ１〜Ｓ４を示す断面図である。（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれフィルタエレメントの製造工程におけるステップＳ５〜Ｓ８を示す断面図である。（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれフィルタエレメントの製造工程におけるステップＳ９〜Ｓ１１を示す断面図である。（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれフィルタエレメントの製造工程におけるステップＳ１２〜Ｓ１５を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。

［フィルタ装置］
図１において、フィルタ装置１は、ケーシング１２と、フィルタエレメント１０と、取出し口１４とを有している。

ケーシング１２は、流体が流入する流入口１６、流体が流れる流路１８及び流体が流出する流出口２２を有している。

フィルタエレメント１０は、ケーシング１２に流路１８を横断するように設けられており、例えば、流入口１６側に凸となる略円錐状に形成されており、流路１８の方向Ｆに対して傾斜した部位を有している。このフィルタエレメント１０は、多数の孔２４（図４から図１１）を有している。孔２４は、流入口１６側に位置する表面２６から流出口２２側に位置する裏面２８に貫通しており、流体に混入している捕捉対象物３６（図５）よりも小さい。孔２４の形状は例えば円形であるが、多角形等であってもよい。流体は、排煙、血液、船のバラスト水等である。これらの流体に対応する捕捉対象物３６としては、それぞれＰＭ２．５、細胞、プランクトン等が挙げられる。

取出し口１４は、ケーシング１２に設けられ、捕捉対象物を取り出す部位である。詳細な構成は省略するが、取出し口１４は開閉可能に構成されている。この取出し口１４は、ケーシング１２のうち、フィルタエレメント１０の最も流出口２２側の位置における、表面２６側の近傍に設けられている。このフィルタエレメント１０は略円錐状であり、最も流出口２２側の位置がケーシング１２の周方向に延在している。したがって、取出し口１４は、ケーシング１２の周方向の複数箇所に設けられている。

なお、フィルタエレメント１０の形状は、略円錐状に限られない。図２に示されるフィルタ装置２では、フィルタエレメント１０が流入口１６側に凸となる湾曲面状に形成されている。また、図３に示されるフィルタ装置３では、フィルタエレメント１０が平面状に形成されており、かつ流路１８の方向Ｆに対して傾斜して配置されている。この例では、取出し口１４は、ケーシング１２のうち、フィルタエレメント１０の最も流出口２２側の位置における、表面２６側の近傍に設けられている。

図１から図３において、フィルタエレメント１０の少なくとも一部が流路１８の方向Ｆに対して傾斜しているので、フィルタ装置１，２により流体を濾過する際に、流体は、フィルタエレメント１０に沿って矢印Ａ方向に流れつつ、孔２４（図４から図１１）に流入するようになっている。

上記したフィルタエレメント１０の外観形状は、後述する第２実施形態から第７実施形態に係るフィルタエレメント２０，３０，４０，５０，６０，７０についても同様である。

（フィルタエレメントの第１実施形態）
図５において、第１実施形態に係るフィルタエレメント１０では、該フィルタエレメント１０に沿った流体の流れ方向Ａにおいて、該フィルタエレメント１０の表面２６における孔２４の上流側に、凹形状の導入部３２が該孔２４に連なって設けられている。また、表面２６における孔２４の下流側には、凹形状の導出部３４が該孔２４に連なって設けられている。孔２４の直径Ｄは一定であり、内壁は、フィルタエレメント１０の厚さ方向に直線的に形成されている。

図４（Ａ）に示される例では、導入部３２及び導出部３４の幅Ｗは、孔２４の直径Ｄと同一である。また、図４（Ｂ）に示される例では、導入部３２及び導出部３４の幅は、孔２４の直径よりも大きく、かつ互いに等しい。このように、導入部３２及び導出部３４の幅は、孔２４の直径以上であり、適宜変更可能である。例えば導出部３４の幅が矢印Ａ方向に向かって漸増する構成にしたり、漸減する構成にしたりすることができる。

孔２４の中心を基準として、導出部３４の長さＬ２は、導入部Ｌ１の長さよりも長く設定されている。これにより、流体に含まれ、孔２４よりも大きな捕捉対象物３６（図５）が、孔２４から導出部３４に移動し易くなっている。また、導入部３２及び導出部３４における孔２４と反対側の端部は、例えばそれぞれ半円状に形成されている。なお、この端部は、矩形や先細り形状等の他の形状に形成されていてもよい。

図５に示されるように、流れ方向Ａに沿った孔２４、導入部３２及び導出部３４の断面において、導入部３２及び導出部３４は、例えば表面２６と平行な段差で構成されている。換言すれば、導入部３２及び導出部３４は、それぞれ溝である。この断面において、導出部３４の孔２４側の端部３４Ａは、導入部３２の孔２４側の端部３２Ａよりも裏面２８側に位置している。つまり、導出部３４は、導入部３２よりも深く形成されている。

（作用）
フィルタエレメント１０が用いられたフィルタ装置１，２（図１、図３）では、多数の孔２４を有し流路１８を横断するフィルタエレメント１０により、流体に混入している捕捉対象物３６を捕捉することができる。図５に示されるように、孔２４よりも小さい非捕捉対象物３８や流体は、フィルタエレメント１０に至ると、孔２４に直接流入するか、または該フィルタエレメント１０の表面２６を流れる（流れ方向Ａ）。この場合、孔２４に連なって凹形状の段差で構成された導入部３２から、該孔２４に円滑に流入する（矢印ＩＮ方向）。この流体や非捕捉対象物３８は、孔２４を通過して行く（矢印Ｐ方向）。

一方、流体に混入している捕捉対象物３６は孔２４よりも大きいため、該孔２４を通過できずに捕捉される。流れ方向Ａにおける孔２４の下流側には、孔２４に連なって凹形状の段差で構成された導出部３４が設けられているので、孔２４で捕捉された捕捉対象物３６は、フィルタエレメント１０の表面２６に沿った流体の流れ（流れ方向Ａ）により、該孔２４から容易に除去される。

このとき、導出部３４の孔２４側の端部３４Ａが、導入部３２の孔２４側の端部３２Ａよりもフィルタエレメント１０の裏面２８側に位置しているので、捕捉対象物３６が導入部３２から孔２４を跨いで導出部３４へ移動し易い。したがって、捕捉対象物３６が孔２４に詰まり難い。このため、捕捉対象物３６が微細であっても、フィルタエレメント１０の目詰まりを抑制することができる。

フィルタ装置１、２の作動は例えば間欠的に行われ、フィルタエレメント１０の目詰まりが生じないようにする。図１、図３において、フィルタエレメント１０により捕捉された捕捉対象物３６は、取出し口１４から取り出すことができる。

（フィルタエレメントの第２実施形態）
図６において、本実施形態に係るフィルタエレメント２０では、凹形状の導出部３４が、流れ方向Ａに沿った断面において、斜面で構成されている。導出部３４の深さは、流れ方向Ａに向かうにしたがって次第に浅くなっている。

また、孔２４が、表面２６側から裏面２８側に向かって次第に広がる形状となっている。具体的には、流れ方向Ａにおける下流側の内壁４２が、フィルタエレメント２０の厚さ方向に対して傾斜している。なお、流れ方向Ａにおける上流側の内壁が該厚さ方向に対して傾斜し、下流側の内壁４２が傾斜しない構成としてもよい。また、孔２４の内壁の全周が、該厚さ方向に対して傾斜していてもよい。

このフィルタエレメント２０では、流体は、流れ方向Ａに沿った断面において凹形状の導入部３２から孔２４に流入する。流体に含まれる捕捉対象物３６は、孔２４を通過できずに捕捉され、フィルタエレメント２０の表面２６に沿った流体の流れにより、斜面で構成された導出部３４を通って除去される。

またこのフィルタエレメント２０では、孔２４が、フィルタエレメント１０の表面２６側から裏面２８側に向かって次第に広がっているので、孔２４の直径Ｄよりも小さい非捕捉対象物３８が孔２４を通過して行く際に、該孔２４の途中に引っ掛かることが抑制される。このため、フィルタエレメント２０の目詰まりを更に抑制することができる。

他の部分については、第１実施形態に係るフィルタエレメント１０と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

（フィルタエレメントの第３実施形態）
図７において、本実施形態に係るフィルタエレメント３０では、第２実施形態と同様に、導出部３４が、流れ方向Ａに沿った断面において、斜面で構成された凹形状となっている。導出部３４の深さは、流れ方向Ａに向かうにしたがって次第に浅くなっている。

孔２４の直径Ｄは一定であり、内壁は、第１実施形態と同様に、フィルタエレメント１０の厚さ方向に直線的に形成されている。

他の部分については、第１実施形態に係るフィルタエレメント１０又は第２実施形態に係るフィルタエレメント２０と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

（フィルタエレメントの第４実施形態）
図８において、本実施形態に係るフィルタエレメント４０では、導入部３２及び導出部３４が、流れ方向Ａに沿った断面においてそれぞれ斜面で構成された凹形状となっている。また、該断面において、表面２６に対する導出部３４の傾斜角度θ２は、導入部３２の傾斜角度θ１よりも小さい。導入部３２の深さは、流れ方向Ａに向かうにしたがって次第に深くなっている。

このように、導出部３４の傾斜角度θ２が導入部３２の傾斜角度θ１よりも小さいので、捕捉対象物３６が導出部３４を通る際の抵抗が少なく、捕捉対象物３６がより容易に孔２４から除去される。

（フィルタエレメントの第５実施形態）
図９において、本実施形態に係るフィルタエレメント５０では、流れ方向Ａに沿った断面において、導入部３２が表面２６側に凸形状となる曲面で構成された凹形状となっている。導入部３２の深さは、流れ方向Ａに向かうにしたがって次第に深くなっている。

導入部３２が曲面で構成されているので、捕捉対象物３６が細胞等の柔らかいものである場合に、捕捉対象物３６の変形や傷付きを抑制できる。

（フィルタエレメントの第６実施形態）
図１０において、本実施形態に係るフィルタエレメント６０では、流れ方向Ａに沿った断面において、導入部３２が表面２６側に凸形状となる曲面で構成された凹形状となっている。また、該断面において、導出部３４は、流れ方向Ａにおける導出部３４の下流側の端部が、表面２６側に凸形状となる曲面で構成された凹形状となっている。導出部３４において、該断面における上流側（孔２４側）の端部３４Ａと下流側の端部３４Ｂとの間の部分は、第１実施形態と同様に、表面２６と平行な段差で構成されている。

導入部３２と、導出部３４の端部３４Ｂとが曲面で構成されているので、捕捉対象物３６が細胞等の柔らかいものである場合に、捕捉対象物３６の変形や傷を抑制できる。

他の部分については、第１実施形態に係るフィルタエレメント１０又は第５実施形態に係るフィルタエレメント５０と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

（フィルタエレメントの第７実施形態）
図１１において、本実施形態に係るフィルタエレメント７０では、流れ方向Ａに沿った断面において、導入部３２及び導出部３４が、それぞれ表面２６側に凸形状となる曲面で構成された凹形状となっている。導入部３２の深さは、流れ方向Ａに向かうにしたがって次第に深くなっている。導出部３４の深さは、流れ方向Ａに向かうにしたがって次第に浅くなっている。

導入部３２及び導出部３４が、それぞれ曲面で構成されているので、捕捉対象物３６が細胞等の柔らかいものである場合に、捕捉対象物３６の変形や傷を抑制できる。

上記のように、本実施形態に係るフィルタ装置１，２によれば、フィルタエレメント１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０の目詰まりを抑制し、微細な捕捉対象物３６を安定して捕捉可能となる。

また、捕捉対象物３６の特性に応じて、導入部３２及び導出部３４の形状を設定することができる。捕捉対象物３６が比較的硬い場合には、段差や斜面が好適である。一方、捕捉対象物３６が比較的柔らかい場合には、捕捉対象物３６を保護する観点から曲面が好適である。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明の実施形態は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

上記したフィルタエレメントの実施形態は、適宜組み合わせることが可能である。

導入部３２及び導出部３４は、流れ方向Ａに沿った断面において、段差、斜面又は表面２６側に凸形状となる曲面の少なくとも１つでそれぞれ構成される。

［フィルタエレメントの製造工程］
ここで、第４実施形態に係るフィルタエレメント４０の製造工程を例に挙げて説明する。フィルタエレメント４０は、例えばLIGA(Lithogaphie Galvanoformung Abfomung)技術を利用することによって作製することができる（服部正、表面技術、Vol. 62, No. 12, 619-624, 2011; W. Elufeld and H. Lhe, Radiat. Phys. Chem., 45(3): 340-365, 1995）。

フィルタエレメント４０の製造工程において、図１２（Ａ）〜（Ｄ）には、それぞれステップＳ１〜Ｓ４が示されている。同様に、図１３（Ａ）〜（Ｄ）には、それぞれステップＳ５〜Ｓ８が示されている。図１４（Ａ）〜（Ｃ）には、それぞれステップＳ９〜Ｓ１１が示されている。そして、図１５（Ａ）〜（Ｄ）には、それぞれステップＳ１２〜Ｓ１５が示されている。

図１２（Ａ）に示されるステップＳ１では、基板１００を用意する。図１２（Ｂ）に示されるステップＳ２では、基板１００にフォトレジスト１０２を塗布する。図１２（Ｃ）に示されるステップＳ３では、フォトレジスト１０２の上に、孔１０４Ａが形成されたフォトマスク１０４を重ね、例えばＸ線を露光する。これにより、フォトレジスト１０２のうち孔１０４Ａに対応した部分に例えばＸ線が露光される。図１２（Ｄ）に示されるステップＳ４では、現像により、フォトレジスト１０２（図１２（Ｃ））のうちＸ線が露光された部分が残存し、レジストパターン１０６となる。

図１３（Ａ）に示されるステップＳ５では、基板１００を電極として、レジストパターン１０６の高さまで電鋳を行う。これにより、基板１００のレジストパターン１０６を除いた領域に電鋳金属１０８が形成される。図１３（Ｂ）に示されるステップＳ６では、電鋳金属１０８及びレジストパターン１０６の上に、フォトレジスト１１０を塗布する。図１３（Ｃ）に示されるステップＳ７では、レジストパターン１０６に傾斜部１０６Ａが形成されるように、Ｘ線のグラデーション露光を行う。図１３（Ｄ）に示されるステップＳ８では、現像により、フォトレジスト１１０（図１３（Ｃ））のうちＸ線が露光された部分が残存し、傾斜部１０６Ａを有するレジストパターン１０６が形成される。ここでグラデーション露光とは、場所によって露光量（Ｘ線照射量）を徐々に変化させながら露光することであり、その露光量に応じて深さが異なる階段状（テーパー状）のレジスト構造を得る技術である。

図１４（Ａ）に示されるステップＳ９では、レジストパターン１０６の高さまで電鋳を行う。図１４（Ｂ）に示されるステップＳ１０では、電鋳金属１０８及びレジストパターン１０６の上に、フォトレジスト１１２を塗布する。図１４（Ｃ）に示されるステップＳ１１では、レジストパターン１０６に傾斜部１０６Ａ，１０６Ｂが形成されるように、Ｘ線のグラデーション露光を行う。

図１５（Ａ）に示されるステップＳ１２では、現像により、フォトレジスト１１２（図１４（Ｃ））のうちＸ線が露光された部分が残存し、傾斜部１０６Ａ，１０６Ｂを有するレジストパターン１０６が形成される。図１５（Ｂ）に示されるステップＳ１３では、レジストパターン１０６の高さまで電鋳を行う。図１５（Ｃ）に示されるステップＳ１４では、レジストパターン１０６を除去する。図１５（Ｄ）に示されるステップＳ１５では、電鋳金属１０８を基板１００（図１５（Ｃ））から取り外す。これにより、孔２４、導入部３２及び導出部３４が形成されたフィルタエレメント４０が得られる。

１フィルタ装置
２フィルタ装置
３フィルタ装置
１０フィルタエレメント
１２ケーシング
１４取出し口
１６流入口
１８流路
２０フィルタエレメント
２２流出口
２４孔
２６表面
２８裏面
３０フィルタエレメント
３２導入部
３２Ａ端部
３４導出部
３４Ａ端部
３６捕捉対象物
４０フィルタエレメント
５０フィルタエレメント
６０フィルタエレメント
７０フィルタエレメント
Ａ流れ方向

Claims

流体が流入する流入口、前記流体が流れる流路及び前記流体が流出する流出口を有するケーシングと、
前記ケーシングに前記流路を横断するように設けられ、前記流入口側に位置する表面から前記流出口側に位置する裏面に貫通し前記流体に混入している捕捉対象物よりも小さい多数の孔を有するフィルタエレメントと、
前記ケーシングに設けられ、前記捕捉対象物を取り出す取出し口と、を備え、
前記フィルタエレメントに沿った前記流体の流れ方向において、前記表面における前記孔の上流側に設けられ、該孔に連なる凹形状の導入部と、前記表面における前記孔の下流側に設けられ、該孔に連なる凹形状の導出部と、を有し、
前記流れ方向に沿った前記孔、前記導入部及び前記導出部の断面において、前記導出部の前記孔側の端部が、前記導入部の前記孔側の端部よりも前記裏面側に位置し、
前記導入部及び前記導出部は、それぞれ前記流れ方向に沿った溝であり、且つそれぞれ前記表面と平行な段差で構成されているフィルタ装置。