JP2017009050A - 微小流体素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精度及び耐久性の高い微小流体素子を、少ない工程で、かつ安価に提供する。
【解決手段】流体入口５と流体出口６とを備える中空本体３と、上記中空本体内に遊動可能に保持される遊動部材４とを備える微小流体素子１であって、上記中空本体は、焼結金属粉体とバインダ成分とを含むとともに、焼結時における所定の収縮率を備える焼結材料成形体１１０ａを焼結して一体形成される一方、上記遊動部材は上記金属粉体と焼結しない材料から形成されており、上記遊動部材は、上記焼結前に上記焼結材料成形体内に挿入された後、上記焼結を行うことにより、上記収縮率で収縮した上記中空本体内に、遊動可能かつ離脱不可能に保持されている。
【選択図】図２

Description

本願発明は、微小流体素子及びその製造方法に関する。詳しくは、内部に遊動部材を備え、焼結金属粉体を含む焼結材料成形体を焼結して形成される微小流体素子及びその製造方法に関する。

たとえば、逆止弁は、流体を一方向へ流す一方、逆方向への流れを阻止するように構成されている。通常、逆止弁は、筒状本体内に、上記流体の流れによって変位あるいは揺動させられる弁体と、この弁体が密着させられる弁座を設けて構成されている。

医療器具や化学分析機器等で使用される小型逆止弁として、ポリエチレン樹脂やフッソ樹脂から形成されたものが多く採用されている。ところが、上記樹脂製の逆止弁は、強度や耐熱性が低く、また、消毒や洗浄を行うのも困難であった。

上記問題を解決するため、特許文献１に記載されているような金属製の逆止弁が提案されている。

特開２００５−９５３１号公報

上記特許文献１には、医療器具や化学分析機器等に用いられる小型の逆止弁が記載されている。上記逆止弁は、流路中に設けられた弁座と、上記弁座の一側に当接させられて上記流路を封止するとともに、上記弁座から離間させることにより流体の流動を許容する弁体とを備えて構成される。

上記弁座は、板状部材から形成されるとともに、この板状部材に貫通孔を形成することにより、上記流路が形成されている。上記弁体は、非常に薄い金属製薄板で形成されており、上記貫通孔の近傍に固定される固定部分と、この固定部分から延びる腕部分と上記腕部分の先端に設けられる開閉部分とを備えて構成されている。

上記固定部分と上記腕部分と上記開閉部分は、ステンレス製の薄板にエッチング加工を施すことにより、それぞれ厚みを異ならせて形成されおり、流体圧力によって上記開閉部分が弾性的に変位するように構成されている。

上記特許文献１に記載された発明では、上記弁座と上記弁体とを別途加工し、その後これら部材を精度高く組み付ける必要がある。特に微小な逆止弁の場合、上記弁座と上記弁体の取付位置が少しでもずれると、逆止弁としての機能を果たせなくなる恐れがあり、上記組み付け作業が面倒である。

また、上記弁座を形成するために板状部材に貫通孔を精度高く形成しなければならない。さらに、上記弁体における上記固定部分と上記腕部分と上記開閉部分の厚みを異ならせるためにエッチングが行われる。しかしながら、エッチング作業によって、板材の厚みの精度を確保するのは困難である。また、エッチング作業の工程及び作業も面倒である。

さらに、上記貫通孔の周囲と上記固定部分とは隙間なく密着させる必要がある。このため、上記固定部分及び上記弁座の表面精度も要求される。

本願発明は、上記従来の問題を解決し、精度及び耐久性の高い微小流体素子を、少ない工程で、かつ安価に提供することを課題とする。

本願発明は、流体入口と流体出口とを備える中空本体と、上記中空本体内に遊動可能に保持される遊動部材とを備える微小流体素子であって、上記中空本体は、焼結金属粉体とバインダ成分とを含むとともに、焼結時における所定の収縮率を備える焼結材料成形体を焼結して一体形成される一方、上記遊動部材は上記金属粉体と焼結しない材料から形成されており、上記遊動部材は、上記焼結前に上記焼結材料成形体内に挿入された後、上記焼結を行うことにより、上記収縮率で収縮した上記中空本体内に、遊動可能かつ離脱不可能に保持されている。

本願発明に係る微小流体素子は、焼結金属から形成される。このため、高い温度や強度が要求される微小流体素子や、耐腐食性を要求される微小流体素子を形成することができる。また、高い耐圧性の要求される微小流体素子を形成することもできる。さらに、種々の金属から、流体の種類等に応じた微小流体素子を製造することができる。

上記中空本体を構成する上記焼結材料成形体は焼結により収縮するが、上記遊動部材は収縮しない。本願発明では、焼結時における上記焼結材料成形体の収縮を利用して、収縮が生じない上記遊動部材を上記中空本体内に遊動可能かつ離脱不可能に組み付けている。

本願発明に係る上記微小流体素子は、全体的な寸法が小さいだけでなく、上記中空本体が焼結金属粉体を焼結して形成されるとともに、上記中空本体内で揺動させられる上記遊動部材を含んで構成される。また、上記中空本体は、上記遊動部材とともに焼結されて、上記中空本体内に閉じ込められる。このため、収縮率を精度高く管理しなければ、上記遊動部材を上記中空本体内に遊動可能かつ離脱不可能に保持させることができない。

すなわち、上記遊動部材を中空本体内に遊動可能かつ離脱不可能に保持させるには、焼結前の上記中空本体内に上記遊動部材を挿入できる開口部を設ける一方、焼結後に上記開口部を、上記遊動部材が離脱しない大きさまで収縮させる必要がある。

上記遊動部材が遊動可能かつ離脱不可能となるように、上記焼結材料成形体の焼結による収縮率を、１０％〜２５％に設定するのが好ましい。収縮率が１０％未満の場合、上記開口部の大きさと上記遊動部材の大きさの差が小さくなり、遊動部材を上記中空本体内に挿入しにくくなる。また、上記収縮率が１０％以下の成形材料の流動性は低く、所定の精度の成形体を成形するのが困難である。一方、収縮率が２５％を越えると、中空本体に不要な変形が生じて形状精度が低下する。

筒状の形態を有する中空本体を採用する場合、上記中空本体の外径が１〜５ｍｍ、壁部の厚みが０．０５〜０．５ｍｍで形成することができる。上記中空本体の外形が１ｍｍ未満の場合、精度の高い筒状体を成形することが困難である。また、上記中空本体の外形が５ｍｍを越えると、流体素子自体の大きさが大きくなる。また、０．０５ｍｍ未満の壁部を精度高く成形するのは困難である。また、壁部の厚みが０．５ｍｍを越えると、流体素子の大きさが大きくなる。好ましくは、上記中空本体の外径が２〜５ｍｍ、壁部の厚みが０．１〜０．４ｍｍに設定するのが良い。上記外形寸法は、試験機器や医療機器において多用されている樹脂チューブ等の直径に対応しており、これまで樹脂等で形成されるものが多かった。本願発明に係る微量流体素子は、金属で形成できるため強度や耐熱性が高く、これまで使用不可能であった流体や装置に適用することが可能となる。また、筒状の形態を備えるため、配管ラインに容易に設置することができる。

上記焼結金属の種類は特に限定されることはない。たとえば、ステンレス鋼の粉体を用いて、耐熱性や耐腐食性の高い微小流体素子を形成できる。また、焼結材料を構成する焼結金属粉体の粒度も特に限定されることはなく、採用する成形法や成形体の寸法に応じて焼結材料成形体を成形できる粒度の焼結金属粉体を採用できる。微小な成形体を形成する場合、上記焼結金属粉体は、小さい粒度のものを採用するのが好ましい。たとえば、直径が１〜３ｍｍ程度の筒状体を成形する場合、平均粒度Ｄ５０が、１〜３μｍのものを採用するのが好ましい。

上記バインダ成分は特に限定されることはない。成形型に充填して焼結材料成形体を形成できるとともに、脱脂工程において消失させることができれば、種々の樹脂材料から形成することができる。また、熱によって消失させるバインダに限定さることはなく、水やアルコール等の溶媒によって上記焼結材料成形体から消失させることができるものを採用できる。たとえば、射出成形によって焼結材料成形体を成形する場合、上記バインダによって成形時の流動性を付与できるとともに、成形後の保形性を確保できるものを採用するのが好ましい。

本願発明に係る微小流体素子を構成する中空本体は、焼結金属粉体を型成形するものであるため、切削加工等の後加工を要しない。このため、製造工程を削減できるとともに製造コストを低減させることができる。また、複雑な形態や流路を有する微小流体素子を容易に形成することができる。

本願発明に係る上記遊動部材は、上記焼結金属粉体を焼結させる際の収縮を利用して、中空本体内に、遊動可能かつ離脱不可能に閉じ込められる。すなわち、上記焼結金属の粉体から形成された焼結材料成形体内に上記遊動部材を収容した状態で焼結工程が行われる。このため、上記遊動部材は、焼結工程において、上記焼結金属粉体と焼結しない材料から形成される。たとえば、上記金属粉体としてステンレス粉末を採用した場合、上記ステンレス粉体と焼結しないセラミック材料から上記遊動部材を形成することができる。また、低い温度で焼結する第１の金属焼結粉体から上記中空本体を形成する一方、上記遊動部材を、上記第１の金属粉体の焼結温度では溶融等せず、また、上記第１の金属粉体と焼結しない第２の金属材料から形成することもできる。

上記遊動部材の形態も特に限定されることはない。たとえば、球状や円錐状の遊動部材を採用することができる。また、種々の機能を発揮できる形態の遊動部材を採用できる。

上記中空本体内で流動する流体を精度高く制御するには、上記遊動部材と上記中空本体内面とが接触させられて流体の流動を規制する規制部（たとえば接触面）の精度を高める必要がある。たとえば、逆止弁では、弁体と弁座とが精度高く密着できるように構成するのが好ましい。従来は上記遊動部材と上記中空本体の接触面は、別途加工されていた。このため、上記接触面において隙間等が生じやすく、流体の制御精度の低下を招くことが多かった。

本願発明では、上記中空本体内に設けられ、上記遊動部材が当接させられて流体の流動を規制する規制部を、上記焼結時に、上記遊動部材の形態の一部を転写して形成することができる。上記遊動部材の形態を転写するため、上記遊動部材を上記中空本体の所定部位に押し付けながら焼結させるのが好ましい。上記遊動部材を中空本体の所定部位に押し付ける手法として、重力を利用することができる。たとえば、遊動部材の自重を利用し、さらに、上記遊動部材に所要の重しを付加し、上記規制部形成部位に所要の力で押し付けて焼結工程を行うことができる。一方、上記中空本体は焼結工程において収縮するため、所定部位に位置決めする程度の力で押し付けるだけで、遊動部材の接触部の形態が中空本体の所定部位に転写される。

本願発明では、上記遊動部材の形態を転写して規制部を形成することができるため、非常に精度の高い規制部（たとえば、弁体と弁座の接触面）を形成することが可能となる。しかも、遊動部材の形状精度が低い場合であっても、転写により接触面が形成されるため、接触精度を高めることが可能となる。このため、制御の精度が高い微小流体素子を、精密な加工を要することなく容易に形成することが可能となる。

本願発明は、種々の微小流体素子に適用することができる。たとえば、逆止弁として機能する微小流体素子に本願発明を適用できる。また、中空本体に２以上の流体入口を設けるとともに、上記流体の流動によって上記遊動部材を上記中空本体内で揺動させるように構成することにより、２以上の流体を攪拌する微小流体素子を構成することができる。また、２の流体出口を設け、上記流体出口及び上記流体入口とは別途に制御流体の入口及び出口を設け、上記制御流体によって上記遊動部材を上記２の流体出口に選択的に位置決めするように構成した切り換えバルブ機能を有する微小流体素子を形成することもできる。

本願発明に係る微小流体素子は、上記中空本体の中空部に対応した形態を備えるとともに樹脂材料から形成された中子を形成する中子形成工程と、上記中空本体の外側形態に対応する中空型部を設けた金型内に、上記中子を設置する中子設置工程と、上記中空型部の内側面と上記中子の外側面で構成される成形空間内に、上記焼結金属粉体とバインダとを含む成形材料を充填して焼結材料成形体を形成する成形工程と、上記焼結材料成形体と上記中子とを上記金型内から一体的に取り出す成形体取り出し工程と、上記中子及び上記バインダを消失させる上記中子消失工程と、上記焼結金属粉体とは焼結しない材料で上記遊動部材を形成する遊動部材形成工程と、上記中子が消失した上記焼結材料成形体の内部に上記遊動部材を挿入する遊動部材挿入工程と、上記遊動部材を挿入した上記焼結材料成形体を焼結するとともに、上記焼結材料成形体の収縮を利用して、上記遊動部材を上記中空本体の内部に遊動可能かつ離脱不可能に閉じ込める焼結工程とを含んで製造することができる。

上記中子成形工程は、種々の手法を用いて行うことができる。たとえば、脱脂工程において消失する樹脂材料を射出成形して上記中子を形成することができる。また、樹脂材料を切削加工等によって形成することもできる。

上記成形工程は、上記中子を設置した金型内に、焼結金属粉体とバインダ成分とを含む成形材料を充填して行われる。本願発明に係る中空本体は、寸法が非常に小さいため、射出成形法を利用して行うのが好ましい。

本願発明に係る微小流体素子は、金型の大きさに比べて成形材料の充填空間が小さい。しかも、上記成形材料は、金属粉体を含むため、熱伝導性が高い。このため、金属粉体を用いた射出成形法を利用して製造する場合、上記金型内に成形材料を充填すると上記成形材料の温度が急激に低下し、金型内の隅々に成形材料を充填するのが困難となる。上記中子を樹脂材料から形成することにより、上記成形材料の温度低下を緩和し、射出成形等における成形性を高めることができる。

上記中子設置工程は、別工程において製造した中子を、上記金型内に設置して行うことができる。また、中子成形工程と、中空本体を成形する上記成形工程とを２色成形法等を利用して連続して行うこともできる。

上記成形体取り出し工程は、上記焼結材料成形体と上記中子とを上記金型内から一体的に取り出すことにより行われる。本願発明に係る焼結材料成形体は、非常に寸法が小さいが、上記中子と一体的に取り出すことにより、金型から離間させる際に、焼結材料成形体が傷つくのを防止することができる。また、次の脱脂工程にいたるまでのハンドリングも容易になる。さらに、上記中子に、ハンドリング用の突起等を設けておくことにより、取り扱いがさらに容易になる。

上記中子消失工程は、種々の手法を用いて行うことができる。たとえば、加熱により中子やバインダを構成する樹脂を蒸発させて、上記中子及び上記バインダを消失させることができる。また、種々の溶媒を用いて、上記中子及び上記バインダを溶出させて消失させることもできる。

なお、上記中子消失工程において、上記バインダ成分を完全に消失させる必要はない。上記バインダ成分の一部を残留させることにより、焼結工程までのハンドリング及び焼結工程における保形性を高めることもできる。

上記遊動部材形成工程においては、上記焼結金属粉体とは焼結しない材料で上記遊動部材が形成される。たとえば、上記中空本体より焼結温度が高いセラミック粉体を型成形し焼結させることにより、上記遊動部材を形成できる。本願発明では、上記遊動部材の形態は特に限定されることはなく、型成形や切削加工することにより種々の形態の遊動部材を採用できる。

本願発明では、上記遊動部材が上記中空本体内に遊動可能かつ離脱不可能に保持される。このため、上記焼結材料成形体における流体入口側又は流体出口側の少なくとも一方の内径が、上記遊動部材の最大外形より大きくなるように中子の外径寸法が設定される。これにより、上記遊動部材挿入工程において、上記中子を消失させた焼結材料成形体内に、上記遊動部材を容易に挿入することが可能となる。

上記焼結工程は、上記焼結材料成形体を所定温度に加熱して金属粉体を焼結することにより行われる。焼結温度は、採用した焼結金属粉体に応じて設定される。本願発明では、上記焼結金属粉体を焼結するだけではなく、上記焼結材料成形体の収縮を利用して、上記遊動部材を上記中空本体の内部に遊動可能かつ離脱不可能に閉じ込める。このため、上記中空本体における上記遊動体保持空間の両側の内径が、上記遊動部材の最大外径より小さくなるように、上記焼結工程が行われる。

上記遊動部材を遊動可能かつ離脱不可能となるように上記形成体を収縮させるためには、上記焼結体の焼結による収縮率を、１０〜２５％に設定するのが好ましい。収縮率が１０％未満の場合、上記開口部の大きさと上記遊動部材の大きさの差が小さくなり、遊動部材を上記中空本体内に挿入しにくくなる。一方、収縮率が２５％を越えると、中空本体に不要な変形が生じて形状精度が低下する。また、上記中空本体内における遊動部材の遊動性が低下する。

上記収縮率となるように、上記金属粉体の種類や粒度、上記バインダ成分や上記金属粉体の配合割合等が設定される。

上述の製造方法においては、上記遊動部材を、中子を消失させてから焼結材料成形体の内部に挿入したが、上記中子の成形時に、中子内部に保持させておくこともできる。

すなわち、上記遊動部材を準備する工程と、上記中空本体の中空部に対応した形態を備えるとともに、内部に上記遊動部材を保持させた中子を、樹脂材料から形成する中子形成工程と、上記中空本体の外側形態に対応する中空型部を設けた金型内に、上記中子を設置する中子設置工程と、上記中空型部の内側面と上記中子の外側面で構成される成形空間内に、上記焼結金属粉体とバインダとを含む成形材料を充填して焼結材料成形体を形成する成形工程と、上記焼結材料成形体と上記中子とを上記金型内から一体的に取り出す成形体取り出し工程と、上記中子及び上記バインダを消失させる中子消失工程と、上記焼結材料成形体を焼結するとともに、上記遊動部材を上記中空本体の内部に遊動可能かつ離脱不可能に閉じ込める焼結工程とを含んで製造することができる。

上記手法を採用すると遊動部材挿入工程を省くことが可能となり、製造工程を簡略化できる。また、中子の消失後に遊動部材を中空本体内に挿入する必要がないため、焼結材料成形体の収縮率の範囲の自由度が大きくなる。

上述したように、本願発明に係る微小流体素子は寸法が非常に小さいため、射出成形法を用いて成形材料を金型内に充填する際に、上記成形材料の温度が急激に低下し、流動性が低下して成形性が確保できない恐れがある。

上記問題を緩和するため、上述した製造方法において、上記中子消失工程及び／又は焼結工程において消失する材料を用いて、上記金型内に上記中空型部の一部又は全部に対応する犠牲型部を形成する犠牲型部形成工程を含ませることができる。すなわち、中空本体の内部空間を成形する中子と外側を成形する犠牲型部を、共に樹脂で構成する。これにより、成形型内の保温性が高まり、成形空間内に充填された成形材料の温度低下を防ぎ、成形性を高めることができる。

さらに、上記成形体取り出し工程において、上記焼結材料成形体と、上記中子と、上記犠牲型部とを一体的に取り出すことが可能となる。上記焼結材料成形体は、外側が上記犠牲型部に囲まれた状態で、金型から離型される。このため、離型の際の損傷が生じるのを防止できるばかりでなく、脱脂工程までのハンドリングも容易になる。

上記犠牲型部を採用する場合、成形空間内に樹脂を注入する部分及びその近傍は、金型から構成するのが好ましい。すなわち、本願発明に係る成形体は寸法が小さいため、金型内に精度高く成形材料を注入するには、金型部分から成形空間に直接成形材料を注入するのが好ましい。

本願発明では、上記中空本体の内部に上記遊動部材が保持され、上記中空本体内面との相互作用によって流体が制御される。このため、上記遊動部材が当接あるいは接触する部分（規制部）の形状精度が要求される。ところが、上記中空本体の寸法が非常に小さいため、焼結した後に後加工で接触面を加工するのは困難である。

本願発明では、上記焼結工程において、上記遊動部材の外面形態の少なくとも一部を、焼結過程にある上記焼結材料成形体の上記中空部の内面に転写する。これにより、上記中空本体と上記遊動部材の接触面を精度高く接触させて、流動する流体を確実に制御することができる。

上記転写を行う手法として、上記遊動部材に作用する重力を利用することができる。たとえば、上記遊動部材の下方に中空本体の接触面が位置するように配置し、上記遊動部材を上記接触面に接触させた状態で焼結工程を行う。上記中空部材は、焼結工程において収縮するため、上記遊動部材を上記中空部材の所定位置に位置決めして焼結工程を行うことにより、上記遊動部材の接触面が転写されながら収縮が進行する。これにより、上記中空部材に上記遊動部材の接触面を転写することができる。

上記手法を採用することにより、上記中空部材の内部に、上記遊動部材と精度高く接触できる規制部（接触面）を形成することができる。また、上記遊動部材の形状精度が低い場合でも、上記接触面の接触精度を確保することができる。特に、血液等の液体を制御する場合、上記弁体と上記弁座の間の接触面が大きいと、血液成分が破壊される恐れがある。本願発明では、上記遊動部材の一部形態を上記中空本体内に形成した角部に転写することにより、精度の高い接触面を非常に小さく形成できる。このため、血液成分等が破壊されにくい流体素子を提供できる。

なお、上記焼結工程において、上記遊動部材の自重による力に加えて、他の力を作用させて遊動部材の形態を転写することができる。たとえば、所定の重力が作用する重しを上記遊動部材の上に重ねて載置したり、バネ部材等を利用して遊動部材に弾力を作用させながら、上記焼結工程を行うことができる。

精度及び耐久性の高い微小流体素子を安価に提供することができる。

本願発明に係る逆止弁の外観を示す正面図である。 図１に示す逆止弁の軸に沿う断面図である。 図１示す逆止弁の右側面図である。 図１に示す逆止弁を成形する金型装置の中子を設置した断面図である。 図４に示す金型装置の成形空間に成形材料を充填した状態を示す断面図である。 図５に示す金型装置で成形された成形体を中子とともに取り出した状態を示す断面図である。 図６に示す成形体から中子を消失させた状態を示す断面図である。 図７に示す成形体の内部に遊動部材を挿入する状態を示す断面図である。 第２の実施形態に係る金型装置であって、図１に示す逆止弁を製造するための犠牲型部を形成する金型装置の断面図である。 図９におけるＸ−Ｘ線に沿う断面図である。 図９に示す金型装置の犠牲型部を成形した状態を示す断面図である。 図１１に示す犠牲型部内に、逆止弁の内部に対応した中子を設置した状態を示す断面図である。 図１２に示す成形空間内に焼結金属粉体とバインダ成分を含む成形材料を充填した状態を示す断面図である。 図１３に示す金型装置から、中子と犠牲型部と焼結材料成形体とを一体的に取り出した状態を示す断面図である。 第３の実施形態に係る焼結材料成形体の断面図であり、遊動部材の一部の形態を転写する手順を示す断面図である。 図１５の要部拡大図であり、遊動部材を中空本体内の接触部位に接触させた状態を示す図である。 図１５に示す状態で焼結工程を行った後の形態を示す要部拡大断面図である。

以下、本願発明に係る実施形態を図に基づいて説明する。なお、本実施形態は、微小流体素子として、内部に球状の弁体４を備える逆止弁１に本願発明を適用したものであるが、内部に他の形態の遊動部材を備える他の微小流体素子に本願発明を適用することもできる。

図１から図３に、本願発明に係る微小逆止弁１の概要を示す。

図１に示すように、逆止弁１は、両端部の外周に接続チューブの抜け止め用の凸条２，２を設けた円筒状の筒状本体３と、内部に遊動可能に保持された球状の遊動部材４とを備えて構成されている。

上記筒状本体３は、一側に流体が流入する流体入口５が形成されるとともに、他端に流体出口６が形成されている。中央部には、上記遊動部材４を遊動可能に保持する遊動部材保持空間７が設けられている。上記遊動部材保持空間７の上記流体入口側の流路８は、上記遊動部材４の外径より小さく形成されている。一方、上記流体出口６側の流路１８は、上記遊動部材４の外径より大きく形成されている。上記遊動部材保持空間７の流体出口６側には、上記遊動部材４の流体出口側への離脱を阻止する一対の凸部９，９が形成されているとともに、上記凸部９，９の間に、流体の流動を許容する隙間１０，１０が形成されている。

上記構成の逆止弁１においては、上記流体入口５から流体が流入した場合、上記遊動部材４が上記一対の凸部９，９に掛止されるとともに、上記隙間１０，１０から流体が上記流体出口に向かって流れる。一方、上記流体出口側から流体が流入しようとすると、上記遊動部材４が、上記流体入口側の流路８のテーバ状の端縁１１に密着するように構成されているため、流体は上記流体入口５に向かって逆流することはない。これにより、逆止弁としての機能が発揮される。

本実施形態に係る上記筒状本体３は、外径が２．４ｍｍ、長さが８ｍｍで形成されるとともに、壁部の最小厚みが、０．２ｍｍで形成されている。このため、金属を切削加工して形成するのは困難である。本願発明では、以下に説明する焼結金属粉体を用いた射出成形法によって形成している。

上記筒状本体３は、焼結金属粉体とバインダ成分とを含むとともに、焼結時における所定の収縮率を備える焼結材料成形体を焼結して一体形成される一方、上記遊動部材４は上記金属粉体と焼結しないセラミック材料から形成されている。本実施形態では、上記焼結金属粉体としてＳＵＳ３１６Ｌのステンレス鋼粉体が採用される。上記ステンレス鋼粉体の粒度（Ｄ５０）は、２μｍ以下のものを採用するのが好ましい。上記セラミック材料としてアルミナ系の粉体を焼結して上記遊動体４が形成されている。そして、上記遊動部材４は、上記焼結前に上記焼結材料成形体内に挿入された後、上記焼結を行うことにより、収縮した上記筒状本体３内に、遊動可能かつ離脱不可能に閉じ込められて保持されている。

図４から図８に、図１に示す逆止弁１の製造方法の一例を示す。

図４に示すように、上記逆止弁１の外形形態に対応した凹部１０３，１０４を備える一対の金型１０１，１０２を備えて構成される金型装置１００内に、逆止弁１の内側形態に対応した中子１０６が設置される。なお、上記凹部１０３，１０４及び上記中子１０６は、上記焼結材料成形体が収縮する前の状態に対応して形成される。

上記中子１０６は、樹脂で一体形成されており、両端部が上記凹部１０３，１０４の両端部に設けられた中子支持部１０１ａ，１０２ａ及び１０１ｂ，１０２ｂに挟持されるようにして、上記凹部１０３，１０４の間に支持されている。上記中子１０６の外面と上記凹部１０３，１０４の内面との間に、上記筒状本体３に対応した成形空間１０９が構成される。なお、図４では、成形材料注入口１０５が一方の金型１０１の中間部に設けられるように記載されているが、実際は、上記一対の金型１０１，１０２の合わせ面に形成されている。

図５に示すように、上記成形空間１０９に、上記成形材料注入口１０５から、成形材料１０７が注入される。本実施形態では、射出成形法を利用して、上記成形材料注入口１０５から、焼結金属粉体とバインダ成分とを含む成形材料１０７が、上記成形空間１０９内に注入される。

上記成形材料１０７は、ステンレス粉体とバインダとを含んで構成されており、上記バインダを溶融させることにより流動性を付与し、射出成形装置によって上記金型装置１００の成形空間１０９内に充填される。一方、上記中子１０６は、後に行われる脱脂工程において、所定温度に加熱することにより消失できる樹脂から形成される。たとえば、上記中子１０６をポリアセタール樹脂等で形成することができる。また、上記中子１０６の成形手法は特に限定されることはない。たとえば、射出成形法によって型成形することができる。

上記中子１０６が樹脂材料から形成されているため、上記成形材料１０７を上記成形空間１０９内に注入する際、成形材料の温度低下を緩和することができる。これにより、上記成形材料１０７を、上記成形空間１０９の隅々まで充填することができる。

上記成形材料１０７から形成された焼結材料成形体１１０ａと上記中子１０６とは、図６に示すように、上記金型装置１００の上記凹部１０３，１０４から一体的に取り出される。図６に示すように、上記中子１０６と上記焼結材料成形体１１０ａとを一体的に金型装置１００から取り出すことができるため、上記焼結材料成形体１１０ａを傷めることなく、金型装置１００から取り出すことができる。また、以降の工程におけるハンドリングが容易になる。

上記金型装置１００から取り出された中子１０６及び焼結材料成形体１１０ａに含まれるバインダは、中子消失工程において消失させられる。上記中子消失工程は、上述したように、上記中子１０６を構成する樹脂材料が消失する温度まで加熱することにより行われる。なお、上記中子消失工程において、上記成形材料１０７中のバインダ成分を完全に除去する必要はない。後の焼結工程における保形性を確保するために、所要の割合で残留させることもできる。また、中子消失工程を、上記焼結材料成形体１１０ａを、上記中子１０６を構成する樹脂が溶解する溶剤に浸漬等することにより行うこともできる。上記中子消失工程を行うことにより、図７に示す形態の焼結材料成形体１１０ａが形成される。

図８に示すように、上記中子１０６を消失させた焼結材料成形体１１０ａの遊動部材保持空間７ａ内に、上記流体入口５ａ側から球状の遊動部材４が挿入される。上記焼結材料成形体１１０ａの上記流体入口５ａから上記遊動部材保持空間７ａまでの流路８ａは、上記遊動部材４より大きな直径で形成されている。このため、上記遊動部材４を遊動部材保持空間７ａまで容易に挿入することができる。

上記遊動部材４を挿入した焼結材料成形体１１０ａは、上記遊動部材４を上記遊動部材保持空間７ａに収容した状態で所定温度に加熱され、上記焼結材料成形体１１０ａを構成する焼結金属粉体が焼結させられる。

上記焼結材料成形体１１０ａを焼結する際に、上記流路８ａの直径が上記遊動部材４の直径以下の直径となるように、上記焼結材料成形体１１０ａの収縮率が設定される。本実施形態では、上記焼結材料成形体１１０ａの収縮率が１５％に設定されている。これにより、上記流路８ａの直径を上記遊動部材４の直径より小さく収縮させることができる。

上記遊動部材４は、上記焼結材料成形体１１０ａを構成する焼結金属粉体とは焼結しないセラミック材料から形成されている。このため、上記遊動部材４とともに上記焼結材料成形体１１０ａを焼結しても、上記遊動部材保持空間７ａ内で、上記遊動部材４を遊動可能な状態で焼結することができる。

上記製造方法を採用することにより、図１に示すように、内部に遊動部材４を遊動可能かつ離脱不可能に閉じ込めることができる。

図９から図１３に、本願発明に係る逆止弁１の他の製造方法を示す。

上述したように、本実施形態に係る逆止弁１は、寸法が非常に小さい。このため、通常の金属製の金型を用いると、成形材料を型内に精度高く充填するのが困難である。上述した実施形態では、中子に樹脂を採用して充填の際の成形材料の温度低下を緩和したが、本実施形態は、中子に加え、外側の型（犠牲型部）を樹脂で形成するものである。

図９に示すように、金型２０１．２０２の内面に、上記逆止弁１の外形形態より一まわり大きな形態を有する凹部２０３ａ．２０４ａが設けられる。なお、上記凹部２０３ａ．２０４ａに成形材料を注入する注入口２０５ａは、図９では、金型２０１の中間部に設けられるように記載されているが、実際は、上記金型２０１と上記金型２０２の合わせ面に形成されている。同様に、焼結材料成形体を構成する成形材料を注入する注入口２０５ｂも、上記金型２０１と上記金型２０２の合わせ面に形成されている。

図１０に示すように、本実施形態に係る上記凹部２０３ａ，２０４ａは、金型２０１，２０２の内面の全域に形成されておらず、成形材料を注入する上記注入口２０５ｂを設けた側の分離面２０１ａ，２０２ａの近傍には形成されていない。

上記凹部２０３ａ，２０４ａの間の空間に、逆止弁１の外形形態に対応した中子２０６ａが設置される。そして、上記中子２０６ａの外面と上記凹部２０３ａ．２０４ａの内面で構成される成形空間２０９ａ内に、注入口２０５ａから、第１の実施形態において中子６を構成する樹脂材料２０７ａが充填されて、上記逆止弁１の外側形成に対応した犠牲型部２０３ｂ，２０４ｂが形成される。上記犠牲型部２０３ｂ，２０４ｂは、上述した第１の実施形態における凹部１０３，１０４と同様の形態を備えて構成されている。

図１０に示すように、本実施形態では、上記犠牲型部２０３ａ，２０４ｂは、上記金型２０１，２０２とともに分離させることができるように構成されている。このため、上記犠牲型部２０３ｂ、２０４ｂを成形した後に、上記金型２０１，２０２を分離させ、上記金型２０１，２０２から上記中子２０６ａが取り出される。なお、上記中子２０６の全体を取り囲むように半割り状の犠牲型部を形成することもできる。

上記犠牲型部２０３ｂ，２０４ｂ及び上記金型２０１，２０２には、第１の実施形態と同様の中子支持部２０１ａ，２０２ａ及び２０１ｂ，２０２ｂが形成されている。そして、図１２に示すように、上記中子支持部２０１ａ，２０２ａ及び２０１ｂ，２０２ｂに、第１の実施形態と同様の中子１０６が設置される。

これにより、上記中子１０６の外面と上記犠牲型部２０３ｂ，２０４ｂ内面との間に、上記筒状本体３に対応した成形空間２０９ｂが構成される。

図１３に示すように、上記成形空間２０９ｂ内に、成形材料注入口２０５ｂから、焼結金属粉体とバインダ成分とを含む成形材料２１０が充填される。なお、上記成形材料注入口２０５ｂも、上記金型２０１と上記金型２０２の合わせ面に形成されている。

次に、図１４に示すように、上記金型装置２００内から、上記犠牲型部２０３ｂ，２０４ｂと、上記中子１０６と、上記焼結材料成形体２１０ａが一体的に取り出される。上記焼結材料成形体２１０ａは、内側に中子１０６が充填されているとともに、外側に犠牲型部２０３ｂ，２０４ｂが設けられているため、金型装置２００から離型される際に傷ついたり、変形する恐れがなくなる。このため、離型作業や後のハンドリングが容易になる。

上記犠牲型部２０３ｂ，２０４ｂと、上記中子１０６と、上記焼結材料成形体２１０ａについて、第１の実施形態と同様に中子消失工程が行われる。中子消失工程においては、上記犠牲型部２０３ｂ，２０４ｂ、上記中子１０６及び成形体２１０ａ内のバインダ成分が消失させられる。

その後、上述した実施形態と同様に、遊動部材が挿入され、焼結工程が行われる。なお、遊動部材挿入工程及び焼結工程は、上述の実施形態と同様であるので説明は省略する。

上記製造方法を採用することにより、焼結金属粉体とバインダ成分を含む成形材料の金型充填時の温度低下を防止することが可能となる。このため、成形性をより高めることができる。また、精度の高い製品を形成することが可能となる。

図１５から図１７に、本願発明の第３の実施形態を示す。

上述したように、本願発明に係る逆止弁１は、寸法が小さいため、遊動部材１０４と筒状本体３１０の接触部の接触精度を、後加工等で確保するのは困難である。

第３の実施形態では、焼結材料成形体３１０ａ内に遊動部材１０４を挿入した後、上記遊動部材１０４の接触部３５２の形態を、焼結工程において、上記焼結材料成形体３１０ａの入口流路３５３ａの縁部に転写する。

図１６に示すように、本実施形態では、上記焼結材料成形体３１０ａにおける入口側流路３０８ａの直径が上記遊動部材１０４の直径より小さく設定されているとともに、内側縁部にテーパ部３５１ａが形成されており、上記遊動部材１０４は、上記テーパ部の縁部３５３ａに当接するように形成されている。

上記遊動部材１０４を上記縁部３５３ａに当接させた状態、すなわち、図１６に示すように、上記遊動部材１０４に作用する重力によって上記遊動部材１０４の表面が上記縁部３５３ａに押し付けられた状態で焼結が行われる。

焼結工程において、焼結材料成形体３１０ａは所定量収縮しながら焼結される。このため、図１７に示すように、上記焼結材料成形体３１０ａの縁部３５３ａが上記遊動部材１０４の表面に沿って変形させられながら収縮させられる。これにより、上記遊動部材１０４の表面形態（球面）の一部が、上記縁部３５３ａに転写され、上記遊動部材１０４の表面形態が転写された接触部３５３ｂが形成される。

上記接触部３５３ｂは、上記遊動部材１０４の表面形態が精度高く転写されたものであるため、上記遊動部材１０４と上記接触部３５３ｂの接触精度が極めて高く、気密性を有する接触構造を得ることができる。このため、逆止効果の高い逆止弁を形成することができる。

しかも、上記接触部３５３ｂの接触面積を小さく設定しても接触精度が高く、高い逆止効果を得ることができる。このため、血液等の流体に適用した場合、血液の粒子成分が上記接触面間に挟まれることが少なくなり、上記血液成分が破壊される量を低減させることができる。

本願発明は、上述の実施形態に限定されることはない。本実施形態は、本願発明を逆止弁に適用したが、内部に遊動部材を備える他の機器に適用することができる。

微小流体素子を、精度高く、かつ安価に製造することができる。

１ 逆止弁（微小流体素子）
３ 筒状本体（中空本体体）
４ 遊動部材
５ 流体入口
６ 流体出口
１１０ａ 焼結材料成形体

Claims (10)

1. 流体入口と流体出口とを備える中空本体と、上記中空本体内に遊動可能に保持される遊動部材とを備える微小流体素子であって、
   上記中空本体は、焼結金属粉体とバインダ成分とを含むとともに、焼結時における所定の収縮率を備える焼結材料成形体を焼結して一体形成される一方、上記遊動部材は上記金属粉体と焼結しない材料から形成されており、
   上記遊動部材は、上記焼結前に上記焼結材料成形体内に挿入された後、上記焼結を行うことにより、上記収縮率で収縮した上記中空本体内に、遊動可能かつ離脱不可能に保持されている、微小流体素子。
2. 上記焼結材料成形体の焼結による収縮率が、１０％〜２５％である、請求項１に記載の微小流体素子。
3. 上記中空本体は筒状形態を有し、外径が１〜５ｍｍ、壁部の厚みが０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍで形成されている、請求項１又は請求項２に記載の微小流体素子。
4. 上記中空本体内に、上記遊動部材が当接させられて流体の流動を規制する規制部を設け、
   上記規制部は、上記焼結時に上記遊動部材の形態を転写して形成されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の微小流体素子。
5. 上記微小流体素子が、逆止弁である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の微小流体素子。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載された微小流体素子の製造方法であって、
   上記中空本体の中空部に対応した形態を備えるとともに樹脂材料から形成された中子を形成する中子形成工程と、
   上記中空本体の外側形態に対応する中空型部を設けた金型内に、上記中子を設置する中子設置工程と、
   上記中空型部の内側面と上記中子の外側面で構成される成形空間内に、上記焼結金属粉体とバインダとを含む成形材料を充填して焼結材料成形体を形成する成形工程と、
   上記焼結材料成形体と上記中子とを上記金型内から一体的に取り出す成形体取り出し工程と、
   上記中子及び上記バインダを消失させる中子消失工程と、
   上記焼結金属粉体とは焼結しない材料で上記遊動部材を形成する遊動部材形成工程と、
   上記焼結材料成形体の内部に上記遊動部材を挿入する遊動部材挿入工程と、
   上記遊動部材を挿入した上記焼結材料成形体を焼結するとともに、上記焼結材料成形体の収縮を利用して、上記遊動部材を上記中空本体の内部に遊動可能かつ離脱不可能に閉じ込める焼結工程とを含む、微小流体素子の製造方法。
7. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載された微小流体素子の製造方法であって、
   上記遊動部材を準備する工程と、
   上記中空本体の中空部に対応した形態を備えるとともに、内部に上記遊動部材を保持させた中子を、樹脂材料から形成する中子形成工程と、
   上記中空本体の外側形態に対応する中空型部を設けた金型内に、上記中子を設置する中子設置工程と、
   上記中空型部の内側面と上記中子の外側面で構成される成形空間内に、上記焼結金属粉体とバインダとを含む成形材料を充填して焼結材料成形体を形成する成形工程と、
   上記焼結材料成形体と上記中子とを上記金型内から一体的に取り出す成形体取り出し工程と、
   上記中子及び上記バインダを消失させる中子消失工程と、
   上記焼結材料成形体を焼結するとともに、上記遊動部材を上記中空本体の内部に遊動可能かつ離脱不可能に閉じ込める焼結工程とを含む、微小流体素子の製造方法。
8. 上記焼結工程における収縮率が、１０％〜２５％に設定される、請求項６又は請求項７に記載の微小流体素子の製造方法。
9. 上記中子焼結工程及び／又は上記焼結工程において消失する材料を用いて、上記金型内に上記中空型部の一部又は全部に対応する犠牲型部を形成する犠牲型部形成工程を含むとともに、
   上記成形体取り出し工程において、上記焼結材料成形体と、上記中子と、上記犠牲型部とを一体的に取り出し、
   上記中子消失工程及び／又は上記焼結工程において、上記犠牲型部を消失させる、請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の微小流体素子の製造方法。
10. 上記焼結工程において、上記遊動部材の外面形態の少なくとも一部を、焼結過程にある上記焼結材料成形体の上記中空部の内面に転写する、請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の微小流体素子の製造方法。
    

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