JP7541864B2 - Method for manufacturing a microfluidic device - Google Patents
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Description
本発明は、多孔質基材内部にマイクロ流路を形成するデバイスの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a device that forms a microchannel inside a porous substrate.
近年、マイクロサイズの微細流路を利用して、生化学における分析を1つのチップ内で効率的(微量、迅速、簡便)に行うことができるマイクロ流路デバイスの開発が、生化学の研究、医療、創薬、ヘルスケア、環境、食品など、幅広い分野で注目されている。その中でも、紙をベースとしたペーパーマイクロ分析チップは、従来のデバイスと比べて軽量かつ低コストであり、又、電源も使う必要がなく、更には廃棄性も高いという利点を有する。このため、医療設備の整っていない途上国や僻地ならびに災害現場での医療活動や、感染症の広がりを水際で食い止めなければならない空港等での検査デバイスとして期待されている。又、安価でかつ取り扱いが容易なことから、自身の健康状態を管理・モニタリングできるヘルスケアデバイスとしても注目を集めている。 In recent years, the development of microchannel devices that utilize micro-sized fine channels to perform biochemical analysis efficiently (microscopic, rapid, and simple) within a single chip has attracted attention in a wide range of fields, including biochemical research, medicine, drug discovery, healthcare, the environment, and food. Among these, paper-based paper microanalysis chips have the advantages of being lighter and less expensive than conventional devices, not requiring a power source, and being easily disposable. For this reason, they are expected to be used in medical activities in developing countries and remote areas where medical facilities are not well-equipped, as well as at disaster sites, and as testing devices at airports and other locations where the spread of infectious diseases must be stopped at the border. In addition, because they are inexpensive and easy to use, they are attracting attention as healthcare devices that can manage and monitor one's own health condition.
1990年代前半にフォトリソリソグラフィ法や金型等を用いてガラスやシリコン上にミクロンサイズの微細流路を形成し、サンプルの前処理、攪拌、混合、反応、検出を1チップ上で行うマイクロ分析チップが開発された。その結果、検査システムの小型化や迅速分析、ならびに検体や試薬や廃液の低減を実現した。しかし、これらフォトリソグラフィの技術を使って作製されたマイクロ流路は高い精度を持つ一方、その製造コストは高くなり、又、焼却も難しいため、廃棄性が低いものとなっていた。又、検査液を流路内に送る際、シリンジポンプ等の付帯装置が必要であるため、設備が整った環境での使用に限られており、主に生化学系の研究機関にて使用されてきた。 In the early 1990s, photolithography and molds were used to form micron-sized fine flow channels on glass or silicon, and microanalysis chips were developed that could perform sample pretreatment, stirring, mixing, reaction, and detection on a single chip. As a result, it was possible to miniaturize testing systems, perform rapid analysis, and reduce specimens, reagents, and waste liquids. However, while the micro flow channels created using these photolithography techniques are highly accurate, they are expensive to manufacture and difficult to incinerate, making them difficult to dispose of. In addition, because additional equipment such as syringe pumps is required to send the test liquid into the flow channel, they are limited to use in well-equipped environments and have been used mainly in biochemistry research institutions.
これらの課題に対しペーパマイクロ分析チップは、基材として紙や布のような安価な材料を用いてかつ、材料自体の毛細血管現象を利用することで、検体や検査液を駆動させることができるため、低コストでかつ無電環境での使用が可能となる。又、持ち運び(流通)が容易で、廃棄性も高い(燃やすだけで廃棄完了)。更に装置のメンテナンスも不要であるため、誰でも(知識がない老人や子供でも)、何処でも(電源が無い場所でも場所を問わず)、簡単にPOC(point of care)による診断を低コストで実現することが可能となる。よって現在、様々な感染症や特定疾病ならびにヘルスケア(持病管理、健康管理)を対象としたペーパマイクロ分析チップの研究・開発が、世界中の研究機関で進められている。 In response to these issues, paper microanalysis chips use inexpensive materials such as paper and cloth as a base material, and by utilizing the capillary phenomenon of the material itself, they can drive samples and test solutions, making them low-cost and usable in non-electrical environments. They are also easy to carry (distribute) and dispose of (just burn it). Furthermore, since no maintenance is required for the device, anyone (even ignorant elderly people or children) can easily perform POC (point of care) diagnosis at low cost, anywhere (regardless of location, even in places without power). Therefore, research and development of paper microanalysis chips for various infectious diseases, specific diseases, and healthcare (chronic disease management, health management) is currently being conducted at research institutes around the world.
実際に紙に流路を作る手段としては、フォトリソグラフィ法、スクリーン印刷法など、様々な手法が提案されている。上記に示したようにフォトリソグラフィ法による流路形成は、マスク露光やエッチング処理など、プロセス工程が多いため高コストになり、又、印刷ではオンデマンド性が低いため、近年はインクジェットプリンターにより流路を形成する手法が提案されている。 Various methods have been proposed for actually creating flow paths on paper, including photolithography and screen printing. As mentioned above, forming flow paths using photolithography is expensive due to the many process steps required, such as mask exposure and etching, and printing does not offer the same on-demand capabilities, so in recent years, a method has been proposed in which flow paths are formed using an inkjet printer.
特許文献1では、一般的に市販されているインクジェットプリンターを用いて濾紙の内部に流路を作る方法が提案されている。しかし、この手法は濾紙をポリスチレン等で全面コートし、その後、クロロホルム等の溶剤により流路を形成するため、使用者に対し安全性を損なう場合があり、又、流路自体が溶剤により汚染されてしまう可能性がある。
よって、最近では、特許文献2にあるように、インクにUV硬化性樹脂を用いて流路を形成する手法が提案されており、この手法であれば、流路を自由自在に設計できかつ、剛性や耐溶剤製が高い流路形成が可能となる。しかしながらこの方法だと、紙の内部に含浸したUV樹脂を硬化させなければならないので、高いエネルギーの紫外線の照射や通常以上の硬化時間が必要となり、生産性やコストの点から不利な流路形成手法となる。
Therefore, recently, a method has been proposed in which a flow path is formed by using a UV-curable resin in the ink, as described in
また、インクジェットは、ピエゾやサーマル方式によって、ノズルからインクを吐出させて流路パターン形成を行うため、吐出させる樹脂の粘度をある程度低く抑えなければならない。すると、紙上に吐出された粘度の低いUV樹脂は、紙内部に浸透する過程で拡散してしまう可能性があり、できあがった流路の精度に影響を与える可能性がある。例えば、狙いの流路幅に対し、実際の流路幅が数百μmも狭くなってしまう場合があるので、複雑な流路や高精細な流路の形成においては、寸法精度に課題がある。また、粘度の低い樹脂では、1回の吐出では紙に多量の樹脂を載せることが困難である。そのため、多量の樹脂を紙に載せるには、複数回の吐出を行ったり、ヘッドのサイズを大きくしたりする必要があり、生産性、解像度が下がるなどの課題が残る。
また、高粘度インクの吐出を可能とし、かつ高精細なドットが形成できるプリンターを利用する方法もあるが、この方式では流路パターン形成のスピードが極端に遅くなり、流路の生産性が著しく低下することが知られている。
In addition, since inkjet printers use a piezo or thermal method to eject ink from nozzles to form flow path patterns, the viscosity of the resin to be ejected must be kept low to a certain extent. In that case, the low-viscosity UV resin ejected onto the paper may diffuse during the process of penetrating into the paper, which may affect the accuracy of the completed flow path. For example, the actual flow path width may be several hundred μm narrower than the target flow path width, so there is a problem with dimensional accuracy in forming complex flow paths or high-definition flow paths. In addition, with low-viscosity resin, it is difficult to place a large amount of resin on paper in one ejection. Therefore, in order to place a large amount of resin on paper, it is necessary to eject multiple times or increase the size of the head, which leaves issues such as reduced productivity and resolution.
Another method is to use a printer that can eject high-viscosity ink and form highly precise dots. However, this method is known to be extremely slow in forming flow path patterns, resulting in a significant drop in flow path productivity.
又、特許文献3ではソリッドインク(ワックスインク)を用いたインクジェットプリンターにより、濾紙中にワックスインクを染み込ませ基材内部に流路を作る方法が提案されている。しかし、この方式では、固形ワックスを溶かして吐出して流路パターンを描く手法を用いているため、実質的な解像度は低く、流路パターンのエッジ精度等は低いものとなる。又、流路を形成する材料の主成分がワックスであるため、耐熱性や耐溶剤性が低くなり、できた流路の堅牢性や使用用途に制約がつく可能性がある。 Patent Document 3 proposes a method of creating flow paths inside a substrate by using an inkjet printer that uses solid ink (wax ink) to soak filter paper with wax ink. However, this method uses a technique in which solid wax is melted and ejected to draw a flow path pattern, so the actual resolution is low and the edge accuracy of the flow path pattern is low. In addition, because the main component of the material that forms the flow paths is wax, the heat resistance and solvent resistance are low, which may limit the robustness and use of the created flow paths.
更に、特許文献4では、熱転写方式プリンターにより多孔質部材に熱可塑性材料を浸透させて流路形成する方法が提案されている。この方法ではインクジェット方式と比べて比較的溶融粘度の大きい熱可塑性材料を用いることができるため、滲みや未浸透部を低減する効果をうたっているが、紙に多量の熱可塑性材料を転写する場合、熱拡散により解像度が落ちることがある。そのため、高精度な流路壁を形成するにはまだ不十分な点があった。高精度な流路壁を形成するためにはまだ不十分な点があった。
Furthermore,
上記のことから、ペーパマイクロ分析チップの作製には高疎水性で耐溶剤性も高く、熱や破損にも強い流路を、オンデマンドで、高精度(紙内部での滲みが少ない)で形成でき、かつ、高い生産性をもちながら、低コストで流路を形成できる手法が望まれている。
以上のことから、本発明では、電子写真方式を用いて濾紙等の基材内部に流路を形成する手法を提案し、上記要望を満たすものである。
しかしながら、一般的に電子写真による画像形成では、画像品位を保つため、できるだけトナーが紙に染み込まないよう樹脂の設計がなされているため、一般的なトナーを用いて紙内部に流路を作ることは困難である。更に一般的なトナーは、ある程度の疎水性を持っているものの、十分なものではなく、また耐溶剤性も高くないため、染み出し等を考えると、そのまま流路壁形成に使用することはできない。
これらのことから、電子写真方式を用いて高精度な流路を形成するマイクロ流路デバイスの製造方法を提案する。また、加熱溶融によって基材内部まで速やかに浸透でき、かつ高精度の流路形成が可能な樹脂を用いるマイクロ流路デバイスの製造方法を提案する。
For the above reasons, there is a demand for a method for fabricating paper microanalysis chips that can form flow paths that are highly hydrophobic, highly solvent resistant, and resistant to heat and damage, on demand, with high precision (less bleeding inside the paper), and that can form the flow paths at low cost while maintaining high productivity.
In view of the above, the present invention proposes a method for forming a flow path inside a substrate such as filter paper using an electrophotographic method, thereby satisfying the above demands.
However, in general, in electrophotographic image formation, in order to maintain image quality, resins are designed to prevent toner from soaking into the paper as much as possible, so it is difficult to create flow paths inside the paper using general toner. Furthermore, although general toner has a certain degree of hydrophobicity, it is not sufficient, and it also does not have high solvent resistance, so it cannot be used as is to form flow path walls, taking into account seepage, etc.
Based on these findings, we propose a method for manufacturing a microchannel device that uses an electrophotographic method to form highly accurate flow channels, and a method for manufacturing a microchannel device that uses a resin that can be rapidly permeated into the substrate by heating and melting, and that can form highly accurate flow channels.
本発明は、高疎水性で耐溶剤性も高く、熱や破損にも強い流路を、オンデマンドで高精度に形成でき、高い生産性をもちながら低コストでマイクロ流路デバイスを製造する方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a method for manufacturing microchannel devices at low cost and with high productivity, by forming highly hydrophobic, solvent-resistant, and heat- and damage-resistant channels on demand with high precision.
本発明の一態様によれば、多孔質基材の内部に、流路壁で挟まれた流路が形成されたマイクロ流路デバイスの製造方法であって、
前記多孔質基材の表面に、電子写真方式で第一の疎水性樹脂を載せて、前記多孔質基材の表面に流路パターンを形成する工程、および
前記第一の疎水性樹脂を熱により溶融させて、前記第一の疎水性樹脂を前記多孔質基材の内部に浸透させて、前記多孔質基材の内部に流路壁を形成する工程、
を有するマイクロ流路デバイスの製造方法が提供される。
According to one aspect of the present invention, there is provided a method for producing a microchannel device having a channel sandwiched between channel walls formed inside a porous substrate, comprising the steps of:
A step of placing a first hydrophobic resin on the surface of the porous substrate by electrophotography to form a flow path pattern on the surface of the porous substrate; and a step of melting the first hydrophobic resin by heat to cause the first hydrophobic resin to penetrate into the porous substrate to form a flow path wall inside the porous substrate.
A method for manufacturing a microfluidic device having the above structure is provided.
また、本発明の他の態様によれば、多孔質基材の内部に、流路壁で挟まれた流路が形成されたマイクロ流路デバイスの製造方法であって、
前記多孔質基材の表面に、第一の疎水性樹脂を載せて、前記多孔質基材の表面に流路パターンを形成する工程、および
前記第一の疎水性樹脂を熱により溶融させて、前記第一の疎水性樹脂を前記多孔質基材の内部に浸透させて、前記多孔質基材の内部に流路壁を形成する工程、
を有し、
前記流路壁を形成する工程において、前記第一の疎水性樹脂の貯蔵弾性率G’が14Pa以下、かつ損失弾性率G’’が10Pa以上である温度にて、前記第一の疎水性樹脂を浸透させるマイクロ流路デバイスの製造方法が提供される。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a microchannel device having a channel sandwiched between channel walls formed inside a porous substrate, comprising the steps of:
A step of placing a first hydrophobic resin on the surface of the porous substrate to form a flow path pattern on the surface of the porous substrate; and a step of melting the first hydrophobic resin by heat to cause the first hydrophobic resin to penetrate into the porous substrate to form a flow path wall inside the porous substrate.
having
The present invention provides a method for manufacturing a microchannel device, wherein in the step of forming the channel wall, the first hydrophobic resin is infiltrated at a temperature at which the storage modulus G ' of the first hydrophobic resin is 14 Pa or less and the loss modulus G'' of the first hydrophobic resin is 10 Pa or more.
本発明の一態様によれば、高粘度材料を用いて、高疎水性で耐溶剤性も高く、熱や破損にも強いマイクロ流路を、オンデマンドで、高い生産性をもちながら低コストで製造する方法を提供することができる。
本発明の他の態様によれば、多孔質基材内に、滲みを抑制した高精度な流路パターンを形成する方法を提供することができる。
According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing microchannels that are highly hydrophobic, highly resistant to solvents, and resistant to heat and damage, on demand, with high productivity and at low cost, using a high-viscosity material.
According to another aspect of the present invention, a method for forming a highly accurate flow path pattern in a porous substrate with suppressed bleeding can be provided.
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態は例示であり、本発明を実施形態の内容に限定するものではない。また、以下の各図においては、実施形態の説明に必要ではない構成要素については図から省略する。 Below, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the following embodiments are merely examples, and the present invention is not limited to the contents of the embodiments. Also, in each of the following figures, components that are not necessary for explaining the embodiments are omitted from the figures.
本発明においては、まず多孔質基材上に、疎水性樹脂による流路パターンを電子写真方式で形成する。次に、該流路パターンを、熱により溶融させ該多孔質基材内に浸透させる。このようにして、該多孔質基材内部に流路を形成する。以下、各構成要素について説明する。 In the present invention, first, a flow path pattern is formed on a porous substrate using a hydrophobic resin by electrophotography. Next, the flow path pattern is melted by heat and allowed to penetrate into the porous substrate. In this way, a flow path is formed inside the porous substrate. Each component is described below.
<流路パターン形成ユニット>
図1、図2および図3を参照して、流路パターン形成ユニット全体の構成について説明する。図1は本発明の実施例に係る流路パターン形成ユニットの概略構成を示す断面図であり、各構成について簡略的に示している。図2は本発明の実施例に係るプロセスカートリッジPの模式的断面図である。図3は流路パターン形成ユニットの要部の概略制御態様を示すブロック図である。
<Flow path pattern forming unit>
The overall configuration of the flow path pattern forming unit will be described with reference to Figures 1, 2 and 3. Figure 1 is a cross-sectional view showing the schematic configuration of a flow path pattern forming unit according to an embodiment of the present invention, and each component is shown in a simplified manner. Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a process cartridge P according to an embodiment of the present invention. Figure 3 is a block diagram showing the schematic control mode of the main parts of the flow path pattern forming unit.
はじめに、流路パターン形成ユニットの構成、流路パターン形成プロセスと各部材について説明する。図1、図2を用いて、流路パターン形成プロセスに係わる各部材に関して流路パターン形成プロセスの順番に則して説明する。
流路パターン形成ユニットには、プロセスカートリッジPが収容でき、プロセスカートリッジごと交換することでメンテナンスが容易であり利便性が良い。プロセスカートリッジPは像担持体として感光ドラム11を備えている。感光ドラム11の周囲には、帯電ローラ12、現像装置20、クリーニング部材14が設けられている。帯電ローラ12は、感光ドラム11の表面を帯電させるためのローラ形状の帯電部材である。現像装置20は、感光ドラム11の表面に形成された静電潜像を現像剤(樹脂粒子)により現像する。クリーニング部材14は、感光ドラム11の表面をクリーニングする。流路パターン形成に際して必要となる電圧は、帯電高圧電源71、現像高圧電源72、転写高圧電源74によって印加することができ、制御部202(図3)によって制御されている。また、流路パターン形成ユニットは、モータM1(不図示)によってプロセスカートリッジPの感光ドラム11を駆動し、モータM2(不図示)により、プロセスカートリッジPの現像装置20を駆動できる。
First, the configuration of the flow path pattern forming unit, the flow path pattern forming process, and each member will be described. Each member involved in the flow path pattern forming process will be described in accordance with the order of the flow path pattern forming process with reference to Figs.
The flow path pattern forming unit can accommodate the process cartridge P, and the process cartridge can be replaced for easy maintenance and convenience. The process cartridge P has a
流路パターン形成が始まると、感光ドラム11はモータM1の駆動により図2中の矢印A方向に回転し、帯電ローラ12は感光ドラム11の回転に従動して図2中の矢印B方向に回転する。尚、後述の実施例においては、感光ドラム11のプロセススピードを150mm/secとした。
感光ドラム11は、OPC、アモルファスセレン、アモルファスシリコン等の感光材料を、アルミニウムやニッケルなどで形成されたシリンダ上のドラム基体上に設けて構成したものである。後述の実施例では、外径20mm、感光材料の厚さは13μmとした。
When the flow path pattern formation starts, the
The
帯電部材たる帯電ローラ12は、導電性の軸芯体(導電性芯金)と導電性ゴム層からなる単層ローラを用いることができる。そして、電圧印加部である帯電高圧電源71によって、帯電ローラ12には、電圧が印加される。次いで、電圧が印加された帯電ローラを感光ドラム11に当接させて、感光ドラム11の表面を一様に帯電する。帯電ローラ12にはDC(直流)電圧が印加されており、放電によって感光ドラム11上を帯電電位Vdで一様に帯電する。尚、後述の実施例では、帯電ローラ12として、外径7.5mm、体積抵抗103~106Ω・cmの単層ローラを用い、直流電圧を印加した。また、感光ドラム表面を-460V(Vd:暗部電位)に一様に帯電した。
The charging
帯電ローラ12によって感光ドラム11の表面を帯電した後、感光ドラム11の表面には露光ユニット73からレーザ光9が照射される。レーザ光9が照射された感光ドラム11の表面は明部電位であるVlへと表面電位が変化し、静電潜像が形成される。尚、後述の実施例では、Vlを-100Vとした。図3に示したように、露光ユニット73には、コントローラ200からインターフェース201を介して制御部202に入力され、画像処理された画像(流路パターン)情報の時系列電気デジタル画素信号が入力される。露光ユニット73は、入力する時系列電気デジタル画素信号に対応して変調したレーザ光9を出力するレーザ出力部、回転多面鏡(ポリゴンミラー)、fθレンズ、反射鏡等を有しており、レーザ光9で感光ドラム11の表面を主走査露光する。この主走査露光と、感光ドラム11の回転による副走査とにより、感光ドラム11上に画像(流路パターン)情報に対応した静電潜像が形成される。
After the surface of the
<流路パターン形成プロセス>
流路パターン形成ユニットは、現像装置20の位置を制御する接離ユニット75を有しており、流路パターン形成時と流路パターン非形成時で現像装置20の位置を異なる位置に制御することができる。接離ユニット75は、図3に示した制御部202によって動作を制御される。
現像装置20は感光ドラム11の回転開始後に、感光ドラム11から離間していた現像剤担持体としての現像ローラ23を、感光ドラム11と当接するように接離ユニット75によって移動させる。
<Flow path pattern formation process>
The flow path pattern forming unit has a contact/
After the
続いて、現像ローラ23は図2中の矢印C方向に、樹脂粒子供給部材としての樹脂粒子供給ローラ24は図2中の矢印D方向に、それぞれ接続されているモータM2の駆動によって回転を始める。そして、現像ローラ23用の現像高圧電源72から現像ローラ23へ、現像電圧として-300Vの電圧が印加されることで、感光ドラム11上に形成された静電潜像(上記のVl部)に対して現像ローラ23によって現像剤(樹脂粒子)が供給されて現像される。なお、このときの感光ドラム11表面の移動速度と現像ローラ23表面の移動速度との比(現像ローラ23の表面の移動速度/感光ドラム11表面の移動速度)を現像周速比と呼ぶ。この現像周速比を制御することで、感光ドラム11上に現像される現像剤の量を制御することができる。例えば現像周速比が2.5であれば、現像ローラ23上の現像剤が全て感光ドラム11へ現像した場合、感光ドラム11表面の単位面積当たりの現像剤量は、現像ローラ23表面の単位面積当たりの現像剤量に比べて2.5倍になる。後述の実施例では多孔質基材S1内部にマイクロ流路壁を形成するのに適した現像剤量を感光ドラムに供給できるように現像周速比をモータM2の速度で制御している。
Then, the developing
現像剤像(樹脂粒子像)は、転写高圧電源74によって転写電圧が印加された転写ローラ4との電位差により、記録媒体としての多孔質基材S1に転写される。多孔質基材S1は後述するが、多孔質からなるシート状媒体である。
後述の実施例においては、転写ローラ4として、導電性芯金に、と弾性体であるNBRヒドリンゴムを主成分とし、イオン導電材を用いて抵抗調整を行った半導電性スポンジの弾性層を有するローラを用いた。転写ローラ4の外径は12.5mm、導電性芯金の外径は6mmとし、転写電圧+2000Vを印加した。また、実施例で用いた転写ローラの抵抗値は、+2000V印加時、下記のとおりであった。
温度23℃/相対湿度50%の常温常湿環境下:1.0×108Ω~3.0×108Ω
温度32℃/相対湿度80%の高温高湿環境下:0.5×108Ω
温度15℃/相対湿度10%の低温低湿環境下:8.0×108Ω
The developer image (resin particle image) is transferred to a porous substrate S1 as a recording medium by a potential difference with a
In the examples described later, a roller having a conductive core and an elastic layer of semiconductive sponge whose main component is NBR hydrin rubber as an elastic body and whose resistance is adjusted using an ionic conductive material was used as the
Under normal temperature and humidity conditions of 23°C and 50% relative humidity: 1.0 x 10 8 Ω to 3.0 x 10 8 Ω
Under high temperature and humidity environment of 32°C and 80% relative humidity: 0.5 x 10 8 Ω
Under low temperature and low humidity environment of
現像剤像を転写された多孔質基材S1は、現像剤像を重力方向上側としたまま流路パターン形成ユニット外部に排出される。なお、転写ローラ4を通過した後の感光ドラム11は、当接しているクリーニング部材14によって、転写されなかった現像剤を掻き取られる。その後、帯電ローラ12による帯電からのプロセスを再度繰り返すことで、連続的に流路パターン形成が行われる。
流路パターン形成終了後に、現像ローラ23を感光ドラム11から接離ユニット75によって離間し、後回転動作を行うことで流路パターン形成ユニット内の状態をリセットし、次に流路パターン形成を行う際に迅速に印刷することができるよう備える。接離ユニット75によって感光ドラム11から離間した後はモータM2の駆動をOFFすることで現像剤の劣化を抑制することができる。
The porous substrate S1 onto which the developer image has been transferred is discharged to the outside of the flow path pattern forming unit with the developer image facing upward in the direction of gravity. After passing the
After the flow path pattern formation is completed, the developing
次に図3を用いて流路パターン形成ユニットの動作制御を説明する。制御部202は流路パターン形成ユニットの動作を制御し、各種の電気的情報信号の授受をする。また、各種のプロセス機器やセンサから入力する電気的情報信号の処理、各種のプロセス機器への指令信号の処理を行う。コントローラ200は、ホスト装置との間で各種の電気的な情報の授受をすると共に、流路パターン形成ユニットの流路パターン形成動作を所定の制御プログラムや参照テーブルに従って、インターフェース201を介して制御部202で統括的に制御する。制御部202は、様々な演算処理を行う中心的素子であるCPU155、記憶素子であるROM、RAMなどのメモリ15などを有して構成される。RAMには、センサの検知結果、カウンタのカウント結果、演算結果などが格納され、ROMには制御プログラム、予め実験などにより得られたデータテーブルなどが格納されている。制御部202には、流路パターン形成ユニットにおける各制御対象、センサ、カウンタなどが接続されている。制御部202は、各種の電気的情報信号の授受や、各部の駆動のタイミングなどを制御して、所定の流路パターン形成シーケンスの制御などを行う。制御部202は、例えば、帯電高圧電源71、現像高圧電源72、露光ユニット73、転写高圧電源74、現像周速変更ユニット76などを制御し、印加される電圧や露光量などを調整している。
Next, the operation control of the flow path pattern forming unit will be described with reference to FIG. 3. The
図1の流路パターン形成ユニットでは、制御部202から帯電高圧電源71、現像高圧電源72、露光ユニット73、および転写高圧電源74への各接続は記載されていない。しかし、実際には帯電高圧電源71、現像高圧電源72、露光ユニット73、および転写高圧電源74と、制御部202とは接続され、制御部202は各々を制御している。そして、この流路パターン形成ユニットは、ホスト装置からコントローラ200に入力される電気的流路パターン信号に基づいて、多孔質基材S1に流路パターン形成を行う。なお、ホスト装置としては、イメージリーダー、パーソナルコンピュータ(以下、パソコンとも記載する。)、ファクシミリ、スマートフォン等が挙げられる。
In the flow path pattern forming unit of FIG. 1, the connection from the
<現像装置>
次に、本発明に係る現像装置20について、現像プロセスに係わる部分の構成について図2を用いて詳細に説明する。
現像装置20は、感光ドラム11との対向位置に開口部を有する現像容器21を備えており、この現像容器21には、通常の電子写真装置で用いられる現像剤(トナー)の代わりに樹脂粒子が収納されている。また、現像装置20は、現像ローラ23と樹脂粒子供給ローラ24と、を備えている。
現像ローラ23は、感光ドラム11上の静電潜像まで樹脂粒子を担持しながら搬送する役割を担っている。現像ローラ23としては、弾性層の表面に、粗し粒子を分散させた表層を設けたローラを用いることができる。樹脂粒子の搬送性は現像ローラ23の表面粗さによって調整することができる。後述の実施例においては、シリコーンゴムからなる弾性層の表面に、ウレタンゴムをバインダーとして直径10μmの粒子を分散させた表層を設けたローラを用いた。表面粗さRaは3.5μm程度とした。
<Developing device>
Next, the configuration of the developing
The developing
The developing
樹脂粒子供給ローラ24は、現像ローラ23の表面を摺擦する発泡層を有しており、現像ローラ23に現像容器21内の樹脂粒子を供給する役割を担っている。なお、樹脂粒子供給ローラ24は現像ローラ23と導通しており電位を等しくしている。また、現像装置20は、現像ローラ23に供給した樹脂粒子を規制する樹脂粒子規制部材たる現像ブレード25を備えている。
また、現像装置20は、現像ローラ23に供給された樹脂粒子のコート量を規制する樹脂粒子規制部材たる現像ブレード25を備えている。現像ブレード25としては、例えば、薄いステンレス鋼(SUS)板を支持板金に支持させたものを用いることができる。現像ブレード25は、現像ローラ23と導通しており、電位を等しくしている。
後述の実施例においては、現像ブレード25としては、厚さ80μmのステンレス鋼(SUS)板が厚さ1mmの支持板金に支持されたものを用いた。現像ブレード25のSUS板の先端を、25~35g/cmの圧力で現像ローラ23と当接させた。当接の方向は、当接部に対して自由端側の先端が現像ローラ23の回転方向上流側に位置するカウンタ方向とした。以上の構成とすることにより、現像ブレード25を通過後の現像ローラ23表面には、例えば、単位面積当たり0.50mg/cm2の樹脂粒子がコートされる。
The resin
The developing
In the examples described below, a developing
<流路パターン>
後述の実施例1においては、流路パターン形成ユニットを用いて、多孔質基材S1上に樹脂粒子を載せて樹脂粒子像を形成することで、図4(a)に示す流路パターン80を形成した。図4(a)における各符号は以下のとおりである。樹脂粒子像81、試薬を付着させる試薬部83、検査液を付着させる検査液部84、試薬部83と検査液部84とを結ぶ流路82。但し、流路パターンの形状やサイズ等はもちろんこれに限るものではなく、直線や曲線の組み合わせ、分岐を用いた形状であっても良く、流路の幅を変えても良い。
後述の実施例で図4(a)の流路パターンを形成する場合、流路82を挟む樹脂粒子像81の幅L1は4mm、流路82の幅L2は1.5mmとした。
<Flow path pattern>
In Example 1 described later, a flow path pattern 80 shown in Fig. 4(a) was formed by placing resin particles on the porous substrate S1 using a flow path pattern forming unit to form a resin particle image. The symbols in Fig. 4(a) are as follows. Resin particle image 81, reagent section 83 to which a reagent is attached, test liquid section 84 to which a test liquid is attached, and flow path 82 connecting reagent section 83 and test liquid section 84. However, the shape and size of the flow path pattern are not limited to these, and may be a combination of straight lines and curves, a shape using branches, and the width of the flow path may be changed.
When forming the flow path pattern of FIG. 4A in an embodiment described later, the width L1 of the resin particle images 81 sandwiching the flow path 82 was set to 4 mm, and the width L2 of the flow path 82 was set to 1.5 mm.
曲線や分岐を有する流路パターンの例を図4(b)に示す。この例においては、試薬を付着させる試薬部85b、85c、85dと検査液を付着させる検査液部85aが流路85eによって接続されている。 An example of a flow path pattern having curves and branches is shown in FIG. 4(b). In this example, reagent sections 85b, 85c, and 85d for applying reagents and test liquid section 85a for applying test liquid are connected by flow path 85e.
<加熱プロセス>
流路パターン80が形成された多孔質基材S1は、加熱ユニットによる加熱プロセスを経ることで樹脂粒子が溶融し、多孔質基材S1へと浸透し、疎水性の壁に囲まれた流路を有するマイクロ流路デバイスとなる。
よって、加熱温度としては、樹脂粒子が溶融し、溶融した樹脂が多孔質基材S1に対して浸透する温度にする必要がある。樹脂粒子の物性に関しては後述するが、後述の実施例の構成においては140℃以上において樹脂粒子は溶融して多孔質材S1へ浸透した。
<Heating process>
The porous substrate S1 on which the flow path pattern 80 is formed undergoes a heating process using a heating unit, whereby the resin particles melt and permeate into the porous substrate S1, forming a micro-flow path device having a flow path surrounded by hydrophobic walls.
Therefore, the heating temperature must be a temperature at which the resin particles melt and the molten resin penetrates the porous substrate S1. The physical properties of the resin particles will be described later, but in the configuration of the example described later, the resin particles melted and penetrated the porous substrate S1 at 140°C or higher.
加熱時間としては、溶融した樹脂が多孔質基材S1の厚み方向に完全に浸透しきる時間が必要であるが、長すぎると必要以上に拡散してしまい、形成した流路パターンに比べ、加熱プロセス後の流路82が細くなってしまう可能性がある。加熱温度にもよるが、加熱時間を1~10分とすることによって適度な流路壁を形成できる。
以上を鑑みて、後述の実施例における加熱条件としては200℃環境において2分間とした。加熱ユニットとしては、オーブン(ヤマト科学(株) 送風定温恒温器 DN610H)を用いた。但し、加熱方式はこれに限らず、遠赤外線ヒータやホットプレート等を用いても良いし、加熱条件も樹脂粒子や多孔質基材S1の物性に合わせて選択するべきものである。
The heating time needs to be long enough for the molten resin to completely penetrate the porous substrate S1 in the thickness direction, but if the heating time is too long, the resin will diffuse more than necessary, and the flow paths 82 after the heating process may become narrower than the flow path pattern that was formed. Although it depends on the heating temperature, a heating time of 1 to 10 minutes can form an appropriate flow path wall.
In view of the above, the heating conditions in the examples described below were set to 2 minutes in an environment of 200 ° C. As the heating unit, an oven (Yamato Scientific Co., Ltd. constant temperature incubator DN610H) was used. However, the heating method is not limited to this, and a far-infrared heater or a hot plate may be used, and the heating conditions should be selected according to the physical properties of the resin particles and the porous substrate S1.
上記の条件における加熱プロセスを図5(a)、図5(b)を用いて説明する。
加熱前後の樹脂粒子を表す図として、図4中の破線80aの位置における断面概略図を図5に示す。図5(a)は加熱前の断面図、図5(b)は加熱後の断面図である。
加熱前の樹脂粒子は、図5(a)に示す様に、多孔質基材S1の表面に付着しただけの状態である。この後の加熱によって樹脂粒子が溶融し、毛細管現象によって溶融した樹脂が多孔質基材S1の内部に浸透する。
200℃、2分間の加熱後には図5(b)に示す様に、疎水性の樹脂が多孔質基材S1の厚み方向に浸透し、溶融後の樹脂に挟まれた流路82が多孔質基材S1内に形成される。
以上の様に、流路パターン形成ユニットと加熱ユニットとを用いることで、多孔質基材S1内に流路壁に囲まれた流路を有した、マイクロ流路デバイスを製造できる。
図4(a)の流路パターンに基づき作成したマイクロ流路デバイスを用いる場合、例えば試薬部83へ呈色反応を示す薬品を付着させておき、その後に検査液部84へ検査液を付着させる。付着させた検査液は流路82を通って試薬部83まで拡散する。検査装置や検査者においては、その際に生じる呈色反応を確認するなどすればよい。例えば、血糖値の検査の場合、検査液を血液とし、試薬として、オキシターゼとペルオキシターゼとヨウ化カリウムの混合液を用いることができ、尿酸値の検査の場合、検査液を血液とし、試薬として、ウリカーゼとペルオキシターゼと4-アミノアンチピリンの混合液を用いることができる。
図4(b)の流路パターンに基づき作成したマイクロ流路デバイスの使用例について説明する。試薬部85bに試薬bを付着させ、試薬部85cに試薬cを付着させ、試薬部85dに試薬dを付着させた後、検査液部85aに検査液を付着させる。すると検査液部85aに付着させた検査液は流路85eに浸透していくが、途中で分岐することで、試薬部85bでは試薬bのみと反応し、試薬部85cでは試薬cのみと反応し、試薬部85dでは試薬dのみと反応する。分岐した流路を用いることで複数の試薬に対する反応を同時に検査することができる。また、85dに向かう部分の流路のように、流路を曲線にすることにより、エッジ部への検査液の溜まりをなくす、或いは低減することができる。
The heating process under the above conditions will be described with reference to FIGS.
As a diagram showing the resin particles before and after heating, a schematic cross-sectional view taken along the dashed line 80a in Fig. 4 is shown in Fig. 5. Fig. 5(a) is the cross-sectional view before heating, and Fig. 5(b) is the cross-sectional view after heating.
As shown in Fig. 5(a) , the resin particles before heating are merely attached to the surface of the porous substrate S1. The resin particles are melted by subsequent heating, and the molten resin penetrates into the porous substrate S1 by capillary action.
After heating at 200°C for 2 minutes, as shown in Figure 5 (b), the hydrophobic resin penetrates into the porous substrate S1 in the thickness direction, and a flow path 82 sandwiched between the molten resin is formed in the porous substrate S1.
As described above, by using the flow channel pattern forming unit and the heating unit, a micro flow channel device having a flow channel surrounded by a flow channel wall in the porous substrate S1 can be manufactured.
When using a microfluidic device created based on the flow channel pattern of FIG. 4(a), for example, a chemical that exhibits a color reaction is applied to the reagent section 83, and then the test liquid is applied to the test liquid section 84. The applied test liquid diffuses through the flow channel 82 to the reagent section 83. The test device or the examiner can check the color reaction that occurs at that time. For example, in the case of a blood glucose level test, the test liquid can be blood, and the reagent can be a mixture of oxidase, peroxidase, and potassium iodide, and in the case of a uric acid level test, the test liquid can be blood, and the reagent can be a mixture of uricase, peroxidase, and 4-aminoantipyrine.
An example of use of the microchannel device created based on the flow channel pattern of FIG. 4B will be described. After attaching reagent b to reagent portion 85b, reagent c to reagent portion 85c, and reagent d to reagent portion 85d, the test liquid is attached to the test liquid portion 85a. The test liquid attached to the test liquid portion 85a then permeates the flow channel 85e, but by branching on the way, it reacts only with reagent b in reagent portion 85b, only with reagent c in reagent portion 85c, and only with reagent d in reagent portion 85d. By using the branched flow channel, it is possible to simultaneously test the reaction to multiple reagents. In addition, by making the flow channel curved, like the flow channel toward 85d, it is possible to eliminate or reduce the accumulation of the test liquid at the edge portion.
<現像剤>
上記プロセスによりマイクロ流路デバイスを作成するにあたり、好ましい現像剤の特性について説明する。
<Developer>
In producing a microchannel device by the above process, preferred developer properties will be described.
マイクロ流路デバイスの流路壁を構成する樹脂としては、空気中の水分によって膨張しないことが求められるため、ある程度の疎水性が求められる。そのため、現像剤としては、疎水性樹脂で構成される樹脂粒子が用いられる。樹脂粒子が有する疎水性は、吸水率として1%程度以下が好ましい。さらに、吸水率は低いほど流路外への試験液の染み出しを抑制でき、検査への影響を低減できるので、吸水率は0.1%以下がより好ましい。
また、現像剤としては、前述した流路パターン形成プロセスに適した特性と、加熱プロセスにおいて溶融し、毛細管現象によって多孔質基材へ速やかに滲みなく浸透する特性とを併せ持つ必要がある。
具体的には、加熱プロセスにおいて溶融し、毛細管現象によって多孔質基材S1へ速やかに滲みなく浸透する特性を有する樹脂を主成分とする樹脂粒子を用いればよい。そして、流路パターン形成プロセスに適した特性とするために、必要に応じて、荷電制御剤などを含有させればよい。
The resin constituting the channel walls of the microchannel device is required to have a certain degree of hydrophobicity since it is required not to expand due to moisture in the air. Therefore, resin particles composed of hydrophobic resin are used as the developer. The hydrophobicity of the resin particles is preferably about 1% or less in terms of water absorption. Furthermore, the lower the water absorption, the more the test liquid can be suppressed from seeping out of the channel, and the less the impact on the test can be reduced, so the water absorption is more preferably 0.1% or less.
The developer must have both the property suitable for the flow path pattern forming process described above and the property of melting in a heating process and quickly penetrating into the porous substrate without bleeding due to capillary action.
Specifically, resin particles containing a resin as a main component that has the property of melting in a heating process and quickly penetrating into the porous substrate S1 without bleeding due to capillary action may be used. In order to provide properties suitable for the flow path pattern forming process, a charge control agent or the like may be added as necessary.
尚、インクジェット方式のプリンターでは、インクをヘッドから吐出する際、インクの粘度が0.15Pa・s程度であることが求められる。また、熱転写方式のプリンターでも、1.6Pa・s以下の材料であることが求められる。一方、電子写真方式であれば、100℃における溶融粘度が1000Pa・s以上の材料でも用いることができ、材料の選択の幅が大きく、電子写真方式はこの観点からも好ましい。
溶融粘度が低くなると多孔質基材内部に浸透しやすくなるが、滲みは大きくなる。逆に、溶融粘度が高くなると、浸透の際の滲みが小さくなると考えられるが、多孔質基材内部への浸透し難くなる。しかしながら、樹脂粒子の貯蔵弾性率G’と損失弾性率G’’とを適切に制御することによって、浸透性と滲みの抑制との両立を良好に図ることができることがわかった。
Inkjet printers require the ink to have a viscosity of about 0.15 Pa·s when ejecting the ink from the head. Thermal transfer printers also require materials with a viscosity of 1.6 Pa·s or less. On the other hand, electrophotographic printers can use materials with a melt viscosity of 1000 Pa·s or more at 100° C., allowing a wide range of material choices, and electrophotographic printers are preferred from this viewpoint as well.
When the melt viscosity is low, the resin particles can easily penetrate into the porous substrate, but the bleeding becomes large. Conversely, when the melt viscosity is high, the bleeding during penetration is thought to be small, but the resin particles cannot easily penetrate into the porous substrate. However, it has been found that by appropriately controlling the storage modulus G' and loss modulus G'' of the resin particles, it is possible to satisfactorily achieve both the penetration property and the suppression of bleeding.
浸透性と滲みの抑制とを両立できる樹脂としては、環状オレフィンコポリマー(Cyclo Olefin Copolymer)が挙げられる。以下、「COC」と記載する。
COCに関し、まずは流路パターン形成プロセスに対する特性を説明する。COCは、現像ブレード25や現像ローラ23に対して負帯電性を有するだけでなく、吸水性が低いため流路パターン形成プロセスにおける帯電安定性が高く、保存性も高い。また、機械的強度が高いため、現像ローラ23と規制ブレード25との間で繰り返し摺擦を受けた場合にも割れや変形が起こりにくい。以上の様に、COCは電子写真方式を用いた流路パターン形成プロセスに適している。COCを含む樹脂粒子におけるCOCの割合は、50質量%以上であることが好ましい。
An example of a resin that can achieve both high permeability and low bleeding is cycloolefin copolymer, hereinafter referred to as "COC."
Regarding COC, the characteristics in the flow path pattern forming process will be described first. COC not only has a negative chargeability with respect to the developing
マイクロ流路デバイスとしては、耐溶剤性が求められる場合がある。COC樹脂は高い疎水性に加えて、高い耐溶剤性を有しており、様々な試験液に対して溶解することなく、また流路からの漏れが無い検査が行える流路を形成することができる。さらに前述したように、COC樹脂は機械的強度も高く、熱や破損に強いため、扱いが容易なマイクロ流路デバイスが作成できる。 Microfluidic devices may require solvent resistance. COC resin is highly hydrophobic and also highly solvent resistant, meaning it will not dissolve in a variety of test liquids and can be used to form flow channels that allow testing without leakage from the flow channels. Furthermore, as mentioned above, COC resin also has high mechanical strength and is resistant to heat and damage, making it possible to create microfluidic devices that are easy to handle.
後述の実施例1で用いる樹脂粒子Aは、以下のようにして製造された粒子である。
(i)COC(ポリプラスチックス(株)製 TMグレード、比重=1.02)のペレットを微粉砕する。
(ii)微粉砕物を体積平均粒径が6μmとなる様に分級する。
(iii)分級された粒子に対して、熱球形化処理を行いCOC粒子を得る。
(iv)熱球形化されたCOC粒子に対して、外添剤として個数平均粒径10nmの疎水性シリカ粒子を1.6質量%外添する。
樹脂粒子表面を外添剤で被膜することで、負帯電性能、流動性を向上させることができる。なお、外添剤に用いるシリカ粒子は疎水化処理をしていることと、外添量が微量であることより、最終的にマイクロ流路デバイスとして使用する際の流路には影響しない。但し、外添量や外添する物質はこれに限るものではなく、用いる現像剤担持体や現像剤規制部材等の現像装置構成に応じて適宜選択して良い。
Resin particles A used in Example 1 described later were produced as follows.
(i) Pellets of COC (TM grade, specific gravity: 1.02, manufactured by Polyplastics Co., Ltd.) are finely pulverized.
(ii) The finely pulverized material is classified to have a volume average particle size of 6 μm.
(iii) The classified particles are subjected to a thermal spheronization treatment to obtain COC particles.
(iv) 1.6% by mass of hydrophobic silica particles having a number-average particle size of 10 nm are externally added to the thermally spheronized COC particles as an external additive.
By coating the resin particle surface with an external additive, negative charging performance and flowability can be improved. Note that the silica particles used as the external additive have been hydrophobized and the amount of external additive is small, so that it does not affect the flow path when finally used as a micro-channel device. However, the amount of external additive and the substance to be externally added are not limited to these, and may be appropriately selected depending on the configuration of the developing device, such as the developer carrier and developer regulating member used.
なお、一般的に、COCは100℃においても1000Pa・s程度の溶融粘度を有しているため、インクジェット方式や熱転写方式等では、使用は困難である。
電子写真法によって、流路パターンの形成が行われる場合、樹脂粒子には、一般的な電子写真用トナーと同様のサイズや形状が求められる。そのため、樹脂粒子のサイズや形状は、一般的な電子写真用トナーのそれに準ずるものとすればよい。
Generally, COC has a melt viscosity of about 1000 Pa·s even at 100° C., so it is difficult to use it in ink-jet systems, thermal transfer systems, and the like.
When the flow path pattern is formed by electrophotography, the resin particles are required to have the same size and shape as those of a general toner for electrophotography, and therefore the size and shape of the resin particles may be similar to those of a general toner for electrophotography.
<多孔質基材>
多孔質基材としては、適度な空隙率と親水性を示すものが好適である。多孔質構造としては、連泡並びに網目(ナノファイバー等)状の構造等のものが良く、濾紙、普通紙、上質紙、水彩紙、ケント紙、合成紙、合成樹脂多孔質フィルム、布地、繊維製品、などが挙げられる。これらの中でも、高い空隙率と良好な親水性を有する点から、濾紙が好ましい。
空隙率は、目的に応じて適宜選択することができるが、20%~90%であることが好ましい。この範囲内である場合、基材としての強度が十分でありながら、試料液の浸透性についても十分な特性が得られる。
親水性は、試料液として血液、尿、唾液のような、水を含む生体液が、基材内に拡散することを可能にするために必要な性質である。
多孔質基材の平均厚さは、0.01mm~0.3mmのものが一般的に用いられる。平均厚さが、0.01mm以上であれば、基材としての強度が適当である。平均厚さが0.3mm以下であれば、COCの浸透が容易であり、流路壁の形成が容易となる。但し、平均厚さは用途に応じて選択すればよく、0.6mm程度の厚いものを使用する場合もある。
<Porous substrate>
As the porous substrate, those that show a suitable porosity and hydrophilicity are suitable. As the porous structure, those with open cells and mesh (nanofibers, etc.) structures are suitable, and examples thereof include filter paper, plain paper, wood-free paper, watercolor paper, Kent paper, synthetic paper, synthetic resin porous film, fabric, textile products, etc. Among these, filter paper is preferred because of its high porosity and good hydrophilicity.
The porosity can be appropriately selected depending on the purpose, but is preferably 20% to 90%. Within this range, the strength as a base material is sufficient, while sufficient characteristics regarding the permeability of the sample liquid are obtained.
Hydrophilicity is a necessary property for allowing a biological fluid containing water, such as blood, urine, or saliva, as a sample liquid, to diffuse into the substrate.
The average thickness of the porous substrate is generally 0.01 mm to 0.3 mm. If the average thickness is 0.01 mm or more, the substrate has adequate strength. If the average thickness is 0.3 mm or less, the COC can easily penetrate and the flow path wall can be easily formed. However, the average thickness may be selected according to the application, and a thicker thickness of about 0.6 mm may be used.
多孔質基材の空孔に樹脂を浸透させて、空孔を樹脂で埋めることで流路壁(疎水壁)が形成されるため、漏れや染み出しが抑制された流路とするためには、多孔質基材の空孔を樹脂粒子で十分に埋める必要がある。一方、浸透させる樹脂量が多すぎると、過剰の樹脂が多孔質基材の表面に広がってしまったり、裏面に染み出してしまったりしてしまう。そのため、樹脂粒子量は、多孔質基材の空隙率や厚みなどに応じて調整する必要がある。電子写真法においては、流路パターンを形成する際に、多孔質基材上に載せる樹脂粒子量を容易に調整することができ、また、他の方法に比べて、一度に多くの量の樹脂粒子を載せることができる。そのため、確実な流路を容易に形成しやすく、この観点からも好ましい方法である。 Since the resin is permeated into the pores of the porous substrate and filled with the resin to form a flow path wall (hydrophobic wall), it is necessary to sufficiently fill the pores of the porous substrate with resin particles in order to form a flow path that is suppressed from leaking or seeping out. On the other hand, if too much resin is permeated, the excess resin will spread over the surface of the porous substrate or seep out to the back side. Therefore, the amount of resin particles must be adjusted according to the porosity and thickness of the porous substrate. In the electrophotographic method, the amount of resin particles placed on the porous substrate can be easily adjusted when forming a flow path pattern, and a larger amount of resin particles can be placed at one time compared to other methods. Therefore, it is easy to form a reliable flow path, and from this viewpoint it is a preferable method.
多孔質基材上の樹脂粒子量は、現像ローラ23上の単位面積あたりの樹脂粒子量(g/cm2)、流路パターン形成ユニットの現像周速比、感光ドラム11表面の樹脂粒子を転写するための転写電圧を変更することによって、適宜調整できる。また、必ずしも多孔質基材中の空孔を完全に埋める量の樹脂粒子を載せる必要はなく、流路として機能する量であればよい。
The amount of resin particles on the porous substrate can be appropriately adjusted by changing the amount of resin particles per unit area (g/ cm2 ) on the developing
例えば、多孔質基材として、太さ20μmのセルロース繊維からなる坪量が異なる3種類の多孔質基材S1-1、S1-2、S1-3の濾紙を用いることができる。
多孔質基材S1-1、S1-2、S1-3の見掛け密度(g/cm3)は、(坪量/厚さ×1000)、空隙率(%)は、((真密度-見掛け密度)/真密度×100)として算出することができる(表1参照)。
For example, three types of filter paper made of cellulose fibers having a thickness of 20 μm and different basis weights, S1-1, S1-2, and S1-3, can be used as the porous substrate.
The apparent density (g/cm 3 ) of the porous substrates S1-1, S1-2, and S1-3 can be calculated as (basis weight/thickness×1000), and the porosity (%) can be calculated as ((true density−apparent density)/true density×100) (see Table 1).
<樹脂粒子の粘弾性特性>
貯蔵弾性率G’は、物体の弾性を表しており、貯蔵弾性率G’が低いということは一定荷重に対する変形が大きいことを表す。つまり、樹脂微粒子の貯蔵弾性率G’が低い場合は、多孔質基材S1に対して毛細管現象による浸透力が働いたときに、より浸透しやすくなる。
<Viscoelastic properties of resin particles>
The storage modulus G' represents the elasticity of an object, and a low storage modulus G' represents a large deformation for a certain load. In other words, when the storage modulus G' of the resin fine particles is low, the resin fine particles are more likely to permeate the porous substrate S1 when a permeation force due to capillary action acts on the porous substrate S1.
損失弾性率G’’は、物体の粘度を表しており、樹脂微粒子の損失弾性率G’’が高いということは粘性が高いことを表している。粘性が高いとは、流体の速度が流れの中の各点で異なるとき、速度をならして一様にしようとする性質が強いことを表している。つまり、樹脂微粒子の損失弾性率G’’が高い場合は、樹脂粒子が多孔質基材に浸透する際に周囲と同じ速度で移動しようとするため、多孔質S内での浸透ムラが小さくなり、滲みが抑制される。多孔質基材の温度ムラや多孔質の孔のサイズムラ等によって、毛管力にもムラができ、流路パターンが滲んでしまう場合がある。そのため、加熱定着プロセスの温度において、高い粘性を有しており、滲みにくい状態である樹脂粒子が好ましい。 The loss modulus G'' represents the viscosity of an object, and a high loss modulus G'' of resin microparticles represents high viscosity. High viscosity means that when the speed of a fluid differs at each point in the flow, there is a strong tendency to smooth out the speed to make it uniform. In other words, when the loss modulus G'' of resin microparticles is high, the resin particles try to move at the same speed as the surroundings when penetrating into the porous substrate, so that the unevenness of penetration within the pores S is reduced and bleeding is suppressed. Unevenness in the temperature of the porous substrate or unevenness in the size of the pores in the porous substrate can cause uneven capillary forces, which can cause bleeding of the flow path pattern. For this reason, resin particles that have high viscosity and are less likely to bleed at the temperature of the heat fixing process are preferable.
つまり、良好な流路を形成するためには、貯蔵弾性率G’が低く、かつ、損失弾性率G’’が高いという溶融特性を示す温度で、加熱プロセスを行い、樹脂粒子を浸透させることが重要となる。
ここで、加熱プロセスで、樹脂粒子が多孔質基材へ速やかに、かつ滲みなく浸透できるために必要な粘弾性特性を、樹脂粒子Aの弾性率のグラフ(図6A(a))を用いて説明する。尚、図6において、“1E+3”といった記載は“1×103”であることを表す。図6A(a)の実線は温度を変化させたときの樹脂粒子Aの貯蔵弾性率G’の値を示し、図6A(a)の点線は温度を変化させたときの樹脂粒子Aの損失弾性率G’’の値を示す。樹脂粒子Aの詳細な物性に関しては後述するが、樹脂粒子Aは200℃において貯蔵弾性率G’が0.4Paと低く、損失弾性率G’’が10Paと高い状態を有している。
弾性率の測定にあたっては、まず樹脂粒子を直径20mmのペレット成形用ダイスにセットし、加圧器で15tonの荷重を加え、加圧後のペレット厚みが1mmになる様に樹脂粒子の量を調整してペレットを作成した。次に作製したペレット(直径20mm、厚さ1mm)を回転型粘弾性測定装置 AR-G2(TA Instruments社製)の下部プレートと上部プレートの間に固定する。上部プレートから1Hzの周期で10Paのせん断応力を印加し、その際の応答としてのせん断応力との位相差から貯蔵弾性率G’、損失弾性率G’’、を算出した。以上の測定をプレート間の温度を2℃/minの速度で変化させながら70℃~200℃の間で測定した。
In other words, in order to form a good flow path, it is important to carry out the heating process at a temperature that exhibits melting characteristics such as a low storage modulus G' and a high loss modulus G'', and to penetrate the resin particles.
Here, the viscoelastic properties required for the resin particles to penetrate into the porous substrate quickly and without bleeding during the heating process will be explained using a graph of the elastic modulus of resin particles A ( FIG. 6A(a) ). In FIG. 6 , the notation "1E+3" means "1×10 3 ." The solid line in FIG. 6A(a) shows the value of the storage elastic modulus G' of resin particles A when the temperature is changed, and the dotted line in FIG. 6A(a) shows the value of the loss elastic modulus G'' of resin particles A when the temperature is changed. The detailed physical properties of resin particles A will be described later, but resin particles A have a low storage elastic modulus G' of 0.4 Pa and a high loss elastic modulus G'' of 10 Pa at 200° C.
In measuring the elastic modulus, first, the resin particles were set in a pellet molding die having a diameter of 20 mm, a load of 15 tons was applied with a pressurizer, and the amount of the resin particles was adjusted so that the pellet thickness after pressing was 1 mm, to prepare a pellet. Next, the prepared pellet (
まず図6A(a)の実線に示す貯蔵弾性率G’を見ると、温度上昇に伴い、貯蔵弾性率G’が急速に小さくなり、130℃において14Paを下回り、200℃において0.4Paとなる。貯蔵弾性率G’が14Pa以下であれば、前述したように多孔質基材S1による毛細管現象によって多孔質基材S1の内部へと速やかに浸透するようになる。この例においては貯蔵弾性率G’が14Pa以下となる130℃以上において樹脂粒子が多孔質基材へ浸透したため、加熱プロセスにおける温度は少なくとも130℃以上とする必要がある。 First, looking at the storage modulus G' shown by the solid line in FIG. 6A(a), as the temperature rises, the storage modulus G' rapidly decreases, falling below 14 Pa at 130°C and reaching 0.4 Pa at 200°C. If the storage modulus G' is 14 Pa or less, the resin particles will quickly penetrate into the porous substrate S1 due to the capillary phenomenon caused by the porous substrate S1, as described above. In this example, the resin particles penetrated into the porous substrate at 130°C or more, at which the storage modulus G' becomes 14 Pa or less, so the temperature in the heating process must be at least 130°C or more.
一方、図6A(a)の点線に示す損失弾性率G’’も温度上昇に伴い、値は小さくなるが、200℃においても、凡そ10Paと粘性が高い状態を維持している。損失弾性率G’’が10Pa以上であれば十分に滲みを小さく抑えられるため、損失弾性率G’’の観点では加熱プロセスにおける温度は200℃以下が好ましい。
つまり、樹脂粒子Aの場合、多孔質基材へ速やかに、かつ滲みなく浸透できる加熱温度は、130℃以上200℃以下となる。
On the other hand, the loss modulus G″ shown by the dotted line in FIG. 6A(a) also decreases with increasing temperature, but even at 200° C., the viscosity remains high at approximately 10 Pa. If the loss modulus G″ is 10 Pa or more, bleeding can be sufficiently suppressed to a small extent, and therefore, from the viewpoint of the loss modulus G″, the temperature in the heating process is preferably 200° C. or less.
That is, in the case of resin particles A, the heating temperature at which the resin particles A can rapidly permeate the porous substrate without bleeding is 130° C. or higher and 200° C. or lower.
(実施例1、2、比較例1)
図1~図2に記載の装置、及び、前述の樹脂粒子Aを用いて、図4(a)に記載する流路パターンを、前述の多孔質基材S1-2上に形成した。
加熱プロセスにおける加熱温度を200℃とした場合の結果(実施例1)、130℃とした場合の結果(実施例2)、120℃とした場合の結果(比較例1)を表2に示す。加熱温度120℃では貯蔵弾性率G’が32Paであり多孔質基材への浸透が不十分であった。
(Examples 1 and 2, Comparative Example 1)
Using the device shown in FIGS. 1 and 2 and the above-mentioned resin particles A, the flow path pattern shown in FIG. 4(a) was formed on the above-mentioned porous substrate S1-2.
The results when the heating temperature in the heating process was 200° C. (Example 1), 130° C. (Example 2), and 120° C. (Comparative Example 1) are shown in Table 2. At a heating temperature of 120° C., the storage modulus G′ was 32 Pa, and penetration into the porous substrate was insufficient.
なお、COCを含む樹脂粒子Aは200℃において貯蔵弾性率G’と損失弾性率G’’の比率であるtanδ(=G’’/G’)は凡そ26であるが、これは多くの樹脂材料のtanδが0.1~1.0程度であるのと比べるとかなり大きい。この性質により、樹脂粒子Aは、低い貯蔵弾性率G’によって多孔質基材S1-2へ浸透しながらも、高い損失弾性率G’’によって粘性を保ち、滲むことなく流路を形成することができた。すなわち、COCを用いた樹脂粒子は、多孔質基材上に形成した流路パターンを多孔質基材内部に精度高く浸透させて、流路壁を形成することができる。そのため、流路パターンに応じた流路を精度高く形成することができる。 At 200°C, resin particles A containing COC have a ratio of storage modulus G' to loss modulus G'', tan δ (= G''/G'), of approximately 26, which is considerably larger than the tan δ of most resin materials, which is approximately 0.1 to 1.0. Due to this property, resin particles A can penetrate into the porous substrate S1-2 due to their low storage modulus G', while maintaining viscosity due to their high loss modulus G'', and form flow paths without bleeding. In other words, resin particles using COC can precisely penetrate the flow path pattern formed on the porous substrate into the interior of the porous substrate to form flow path walls. Therefore, flow paths corresponding to the flow path pattern can be precisely formed.
<比較例2>
比較例2として、図6A(b)に示す粘弾性を有した樹脂粒子Bを用いた場合を説明する。樹脂粒子Bは、COCではなく、スチレンとブチルアクリレートの共重合体からなる体積平均粒径が6μmの粒子に、樹脂粒子Aと同様にシリカ粒子の外添を行ったものである。図6A(b)に示す様に、樹脂粒子Bは温度上昇と共に貯蔵弾性率G’と損失弾性率G’’とが減少傾向にあるが、いずれも1×102Paから1×103Paまでの間で下げ止まっている。そのため、貯蔵弾性率G’が14Pa以下となる温度領域が樹脂粒子Bには存在しない。
実際に、多孔質基材に樹脂粒子Bを載せて、加熱温度200℃で加熱プロセスを経ても樹脂粒子Bは多孔質基材の表面で溶け広がるだけであり、樹脂粒子Bが多孔質基材S1の内部に浸透する様子は見られなかった。
<Comparative Example 2>
As Comparative Example 2, a case where resin particles B having viscoelasticity shown in Fig. 6A(b) was used will be described. Resin particles B are particles having a volume average particle size of 6 μm made of a copolymer of styrene and butyl acrylate, not COC, to which silica particles are externally added in the same manner as resin particles A. As shown in Fig. 6A(b), the storage modulus G' and loss modulus G'' of resin particles B tend to decrease with increasing temperature, but both stop decreasing between 1 x 102 Pa and 1 x 103 Pa. Therefore, there is no temperature region in resin particles B where the storage modulus G' is 14 Pa or less.
In fact, even when resin particles B were placed on a porous substrate and subjected to a heating process at a heating temperature of 200°C, the resin particles B simply melted and spread on the surface of the porous substrate, and no sign of the resin particles B penetrating into the interior of the porous substrate S1 was observed.
<比較例3>
また、比較例3として、図6A(c)に示す粘弾性を有した樹脂粒子Cを用いた場合を説明する。樹脂粒子Cは、200℃においては、貯蔵弾性率G’が0.4Pa、損失弾性率G’’が0.1Paであり、125℃においては、貯蔵弾性率G’が12Pa、損失弾性率G’’が5Paである。即ち、樹脂粒子Cは、貯蔵弾性率G’と損失弾性率G’’が共に低い樹脂粒子であって、貯蔵弾性率G’が14Pa以下、かつ損失弾性率G’’が10Pa以上となる温度領域が存在しない。そのため、樹脂粒子Cを用いた流路壁の形成においては、加熱により多孔質基材へ速やかに浸透するものの、多孔質基材に浸透する際、浸透しやすい箇所に集中的に浸透が進むことによって、滲みが発生してしまう。実際に加熱温度を125℃で、流路壁の形成を行ったところ、滲みが発生した。
<Comparative Example 3>
In addition, as Comparative Example 3, a case where resin particles C having the viscoelasticity shown in FIG. 6A (c) are used will be described. At 200° C., the resin particles C have a storage modulus G' of 0.4 Pa and a loss modulus G'' of 0.1 Pa, and at 125° C., the storage modulus G' is 12 Pa and the loss modulus G'' is 5 Pa. That is, the resin particles C are resin particles with low storage modulus G' and loss modulus G'', and there is no temperature region where the storage modulus G' is 14 Pa or less and the loss modulus G'' is 10 Pa or more. Therefore, in the formation of the flow path wall using the resin particles C, although the resin particles C quickly penetrate into the porous substrate by heating, when penetrating into the porous substrate, the penetration proceeds intensively in the places where it is easy to penetrate, causing bleeding. When the flow path wall was actually formed at a heating temperature of 125° C., bleeding occurred.
<実施例3>
樹脂粒子Aで用いたCOC(ポリプラスチックス(株)製 TMグレード)の代わりに、COC(ポリプラスチックス(株)製 8007F-600グレード)を用いた。更に、COC100質量部当たり、50質量部の可塑成分(パラフィンワックスHNP-51(日本精蝋(株)))を混錬し、混錬樹脂を得た。この混錬樹脂を用いる以外は樹脂粒子Aと同様に製造して、樹脂粒子Dを得た。
Example 3
Instead of the COC (TM grade, manufactured by Polyplastics Co., Ltd.) used in resin particles A, COC (8007F-600 grade, manufactured by Polyplastics Co., Ltd.) was used. Furthermore, 50 parts by mass of a plastic component (paraffin wax HNP-51 (Nippon Seiro Co., Ltd.)) was kneaded with 100 parts by mass of COC to obtain a kneaded resin. Resin particles D were obtained in the same manner as resin particles A, except that this kneaded resin was used.
COC(ポリプラスチックス(株)製 8007F-600グレード)単独では、貯蔵弾性率G’が14Pa以下となる温度領域が300℃までには存在しない。しかし、可塑成分としてパラフィンワックスを混合することで、貯蔵弾性率G’が14Pa以下となる温度領域が存在するようになる。具体的には、樹脂粒子Dは、図6C(e)に示す粘弾性を有していた。この場合、195℃から300℃の範囲で、貯蔵弾性率G’が14Pa以下、かつ損失弾性率G’’が10Pa以上を満たす状態になった。 When COC (8007F-600 grade, manufactured by Polyplastics Co., Ltd.) is used alone, there is no temperature range up to 300°C where the storage modulus G' is 14 Pa or less. However, by mixing paraffin wax as a plastic component, a temperature range where the storage modulus G' is 14 Pa or less comes into existence. Specifically, resin particle D had the viscoelasticity shown in Figure 6C (e). In this case, in the range of 195°C to 300°C, the storage modulus G' was 14 Pa or less and the loss modulus G'' was 10 Pa or more.
一般的に、溶解度パラメータ(以下、SP値)の近い材料同士は、親和性が高く、よく混ざり合う。COCに対するSP値の差が3.5以下であるような可塑成分を用いることによって、好適に粘弾性を制御することができる。SP値は、Fedors法で求めることができる。尚、本実施例の組み合わせにおいては、SP値差は、1.56である。 In general, materials with similar solubility parameters (hereinafter referred to as SP values) have high affinity and mix well. By using a plastic component whose SP value difference with respect to COC is 3.5 or less, viscoelasticity can be controlled appropriately. The SP value can be determined by the Fedors method. In the combination of this example, the SP value difference is 1.56.
樹脂粒子Dを用いて、加熱プロセスにおける加熱温度を200℃として、実施例1と同様にして、流路壁の形成を行ったところ、流路パターンに応じた流路を精度高く形成することができた。
また、COCと可塑成分とを併用した場合には、流路壁が割れにくい特性が発揮されるようになる。そのため、樹脂粒子Dを用いて形成した流路壁は、変形時においても割れが生じにくくなる。可塑成分と併用する場合に用いるCOCとしては、COC単独で用いる場合に比べて、相対的に高温で軟化するCOCが用いられる。このようなCOCは、一般的に破断するまでの変形率(破断伸び率)が大きいため、COCと可塑成分とを併用して形成した流路壁は割れが生じにくくなると考えられる。可塑成分としては、炭化水素ワックス、エステルワックス、アルコールワックスなどのワックス;結晶性ポリエステルなどの結晶性樹脂、その他、シリコーンオイルなどを用いることができる。
When flow path walls were formed in the same manner as in Example 1 using resin particles D and a heating temperature of 200° C. in the heating process, flow paths corresponding to the flow path pattern could be formed with high precision.
In addition, when the COC is used in combination with a plastic component, the flow path wall exhibits a characteristic of being less likely to crack. Therefore, the flow path wall formed using the resin particles D is less likely to crack even when deformed. As the COC used in combination with a plastic component, a COC that softens at a relatively high temperature is used compared to when the COC is used alone. Since such a COC generally has a large deformation rate (breaking elongation rate) until it breaks, it is considered that the flow path wall formed by using the COC in combination with a plastic component is less likely to crack. As the plastic component, waxes such as hydrocarbon wax, ester wax, and alcohol wax; crystalline resins such as crystalline polyester, and other silicone oils can be used.
<耐久性評価>
マイクロ流路デバイスとしての耐久性を、耐ひび割れ性に着目して評価した。
所定の直径を有する金属製の円筒に、実施例3で作成した流路パターンを巻き付けた後、両端を4.9Nの力で引っ張り、流路パターンにひび割れ(クラック)が発生したかを観察した。円筒の直径を徐々に小さくしていき、流路パターンにひび割れがみられるまで繰り返し評価をした。
<Durability evaluation>
The durability of the microfluidic device was evaluated with a focus on crack resistance.
The flow path pattern prepared in Example 3 was wound around a metal cylinder having a predetermined diameter, and then both ends were pulled with a force of 4.9 N to observe whether cracks occurred in the flow path pattern. The diameter of the cylinder was gradually reduced, and the evaluation was repeated until cracks were observed in the flow path pattern.
樹脂粒子Dを用いて作成した厚み0.08mmのマイクロ流路デバイスにおいては、直径4mmの円筒に対する巻き付けまではひび割れがみられず、直径3mmの円筒に対する巻き付けにおいて、初めてひび割れが確認された。また、実施例1で用いた樹脂粒子Aを用いて同様に製造したマイクロ流路デバイスでは、直径12mmの円筒に対する巻き付けでひびが観察された。尚、樹脂粒子Aで用いたCOCの破断伸び率は1.3、樹脂粒子Dで用いたCOCの破断伸び率は4.5である。 In a 0.08 mm thick microchannel device made using resin particles D, no cracks were observed until it was wrapped around a 4 mm diameter cylinder, and cracks were first observed when it was wrapped around a 3 mm diameter cylinder. In a microchannel device similarly made using resin particles A used in Example 1, cracks were observed when it was wrapped around a 12 mm diameter cylinder. The breaking elongation of the COC used in resin particles A was 1.3, and the breaking elongation of the COC used in resin particles D was 4.5.
実施例1~3及び比較例1~3の結果を表2に示す。
樹脂粒子Aは、加熱温度200℃又は130℃において、また、樹脂粒子Dは、加熱温度200℃において、貯蔵弾性率G’が低く、損失弾性率G’’が高いので、多孔質基材へ速やかに滲みなく浸透できた。
樹脂粒子Bは、加熱温度200℃において、貯蔵弾性率G’が高いため多孔質基材へ浸透しなかった。
樹脂粒子Cは、加熱温度125℃において、貯蔵弾性率G’が低く、多孔質基材へ速やかに浸透するが、損失弾性率G’’も低いため浸透時に滲みが発生した。
The results of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 2.
Resin particles A had a low storage modulus G' and a high loss modulus G'' at a heating temperature of 200°C or 130°C, and resin particles D had a high storage modulus G'' at a heating temperature of 200°C, so they could penetrate into the porous substrate quickly and without bleeding.
At a heating temperature of 200° C., resin particles B did not penetrate into the porous substrate because of their high storage modulus G′.
Resin particles C had a low storage modulus G' at a heating temperature of 125° C. and quickly penetrated into the porous substrate, but also had a low loss modulus G'' and therefore caused bleeding during penetration.
まとめると、樹脂粒子の粘弾性としては、貯蔵弾性率G’が14Pa以下、かつ損失弾性率G’’が10Pa以上、となる温度条件で加熱溶融し多孔質基材に浸透させることが必要であり、この場合に、流路パターンに応じた流路を精度高く形成することができた。 In summary, the viscoelasticity of the resin particles must be such that the storage modulus G' is 14 Pa or less and the loss modulus G'' is 10 Pa or more when they are heated to melt and penetrate into the porous substrate. In this case, it was possible to form flow paths with high precision according to the flow path pattern.
なお、本実施例では、貯蔵弾性率が14Pa以下、かつ損失弾性率が10Pa以上を満たす状態になる樹脂としてCOCを用いたが、貯蔵弾性率および損失弾性率を満たす材料であれば、別の公知の材料で構わない。
例えば、COCの代わりにポリエステル系樹脂であるVYLON(登録商標)200(東洋紡(株)製)を用いた場合、図6B(d)に示す粘弾性を有した樹脂粒子となった。この場合、210℃から300℃の範囲で、貯蔵弾性率が14Pa以下、かつ損失弾性率が10Pa以上を満たす状態になる。流路パターン形成ユニット100によって多孔質基材S1に本樹脂粒子を転写し、230℃に設定したオーブンで2分間の加熱を行ったところ、多孔質基材S1に滲みなく浸透させることができた。
In this embodiment, COC was used as the resin having a storage modulus of 14 Pa or less and a loss modulus of 10 Pa or more, but other known materials may be used as long as they satisfy the storage modulus and loss modulus requirements.
For example, when VYLON (registered trademark) 200 (manufactured by Toyobo Co., Ltd.), which is a polyester resin, was used instead of COC, the resin particles had the viscoelasticity shown in FIG. 6B (d). In this case, in the range of 210 ° C. to 300 ° C., the storage modulus is 14 Pa or less and the loss modulus is 10 Pa or more. The resin particles were transferred to the porous substrate S1 by the flow path pattern forming unit 100 and heated for 2 minutes in an oven set at 230 ° C., and the resin particles could be permeated into the porous substrate S1 without bleeding.
以上説明したように、電子写真方式を用いることにより、インクジェット方式では吐出困難な高粘度の材料でも流路パターンの形成が可能となり、材料選択の自由度が高くなる。これにより、加熱部において基材内部まで速やかに浸透できるような溶融特性を持つ高粘度の樹脂粒子を用いた流路パターンの形成が可能である。また、電子写真方式であるので、オンデマンドで高生産性かつ低コストかつ高精度な流路パターンの形成ができる。
また、樹脂粒子の貯蔵弾性率G’が多孔質基材S1に浸透する程度に低く(14Pa以下)、かつ損失弾性率G’’が高い(10Pa以上)温度で加熱することによって、滲みが無く、流路パターンに応じた流路を精度高く形成することができる。この条件でマイクロ流路を形成するのであれば、流路パターンの形成は、電子写真方式に限られない。
As described above, by using the electrophotographic method, it is possible to form a flow path pattern even with a highly viscous material that is difficult to eject using the inkjet method, and the freedom of material selection is increased. This makes it possible to form a flow path pattern using highly viscous resin particles that have melting properties that allow the resin particles to quickly penetrate into the substrate in the heating section. In addition, because it is an electrophotographic method, it is possible to form a flow path pattern on demand with high productivity, low cost, and high accuracy.
Furthermore, by heating at a temperature where the storage modulus G' of the resin particles is low enough to penetrate the porous substrate S1 (14 Pa or less) and the loss modulus G'' is high (10 Pa or more), it is possible to form flow paths corresponding to the flow path pattern with high accuracy without bleeding. If a micro flow path is formed under these conditions, the formation of the flow path pattern is not limited to the electrophotographic method.
<実施例4>
図7に記載したような複数の流路パターン形成ユニットを有する装置を用いる場合について説明する。
本実施例における流路パターン形成ユニット200については、実施例1の流路パターン形成ユニットと異なる点のみ述べ、同一部材には同一符号を付し、同様の部分は説明を省略する。実施例1においては、多孔質基材として厚さ80μmの濾紙を用いたが、用途に応じて物性の異なる多孔質基材が要求される場合が考えられる。例えば空隙率の高い多孔質基材や、より厚みのある多孔質基材を用いる場合には、空隙を埋めるためのトナーがより多く必要となる。つまり、より厚みのある樹脂粒子像を多孔質基材上に形成する必要がある。
Example 4
A case where an apparatus having a plurality of flow path pattern forming units as shown in FIG. 7 is used will be described.
Regarding the flow path
実施例1に記載の流路パターン形成ユニットにおいて、より厚みのある樹脂粒子A像を多孔質基材上へ形成する方法としては、現像ローラ23の表面粗さを上げる方法や、現像ローラ23と現像ブレード25の当接状態(位置や圧力)を変更する方法が考えられる。これにより、現像ローラ23による樹脂粒子Aの搬送量が増え、結果的に多孔質基材上に形成される樹脂粒子A像も厚みが増加する。
またその他、感光ドラム11に対する現像ローラ23の周速比を上げることで、現像ローラ23上の樹脂粒子A量は変えず、感光ドラム11上への樹脂粒子Aの現像量を増やし、多孔質基材上に形成させる樹脂粒子A像の厚みを増やすことができる。
但し、これらの方法だけでは、多孔質基材上に形成する樹脂粒子A像の厚みを数倍まで増やしつつ、安定した流路パターン形成を連続的に行うことは困難である。これは現像ローラ23による樹脂粒子Aの搬送量を増やし過ぎると、帯電が不十分な樹脂粒子が本来は流路壁部となるべき部分に付着するいわゆるかぶりが発生しやすくなるためである。また、周速比を上げ過ぎると、駆動速度ムラに起因して、形成された流路パターンにスジ状の現像ムラ(いわゆるバンディング)が発生しやすくなるためである。
In the flow path pattern forming unit described in Example 1, possible methods for forming a thicker resin particle A image on the porous substrate include increasing the surface roughness of the developing
In addition, by increasing the peripheral speed ratio of the developing
However, it is difficult to continuously form a stable flow path pattern while increasing the thickness of the resin particle A image formed on the porous substrate by several times by these methods alone. This is because if the amount of resin particles A conveyed by the developing
そこで、複数の流路パターン形成ユニットを有する装置を用いることにより、1つの流路パターン形成ユニットしか有さない装置と比べて数倍もの厚みの樹脂粒子A像を、安定して多孔質基材上に形成できるようになる。なお、流路パターンの形成に樹脂粒子を用いる電子写真方式であるから、多孔質基材上に厚みのある材料層を安定して形成することが可能となっている。比較的粘度の低い材料を用いて像形成するインクジェットや熱転写方式では、多孔質基材に多量の材料を載せると、低粘度であるため、材料の広がりや滲みが生じる可能性がある。また、少量の材料を、時間間隔を空けながら繰り返し多孔質基材へ供給する方法も考えられるが、生産性が著しく低下してしまう。 By using a device having multiple flow path pattern forming units, it becomes possible to stably form a resin particle A image on the porous substrate that is several times thicker than a device having only one flow path pattern forming unit. Since the electrophotographic method uses resin particles to form the flow path pattern, it is possible to stably form a thick material layer on the porous substrate. In inkjet and thermal transfer methods that form images using a material with a relatively low viscosity, if a large amount of material is placed on the porous substrate, the low viscosity may cause the material to spread or bleed. Another method is to repeatedly supply small amounts of material to the porous substrate at time intervals, but this significantly reduces productivity.
<流路パターン形成ユニット>
図7を参照して、流路パターン形成ユニット全体の構成について説明する。図7は本発明の実施例に係る流路パターン形成ユニット200の概略構成を断面的に示したものであり、各構成について簡略的に示している。
流路パターン形成ユニット200には、第1のプロセスカートリッジP1、第2のプロセスカートリッジP2、第3のプロセスカートリッジP3、第4のプロセスカートリッジP4の4つのプロセスカートリッジP(P1、P2、P3、P4)が水平方向に配置されている。プロセスカートリッジごとにメンテナンス可能であるため利便性が良い。なお、各プロセスカートリッジP1、P2、P3、P4は、何れも図1におけるプロセスカートリッジPと同等構成の物である。
<Flow path pattern forming unit>
The overall configuration of the flow path pattern forming unit will be described with reference to Fig. 7. Fig. 7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a flow path
In the flow path
<流路パターン形成プロセス>
流路パターン形成におけるプロセスカートリッジの動作は実施例1における流路パターン形成ユニットと同様である。感光ドラム11上に現像された現像剤像は、1次転写ローラ6との電位差により、当接している中間転写体5に1次転写される。1次転写ローラ6は転写高圧電源74と接続されているが、後述する2次転写ローラ7へ印加する電圧を分圧することで+300Vを印加している。このプロセスを、プロセスカートリッジP1、プロセスカートリッジP2、プロセスカートリッジP3、プロセスカートリッジP4と順次行い、中間転写体5上で全ての現像剤像を重ね合わせる。重なった現像剤像は、転写高圧電源74によって+2000Vが印加された2次転写ローラ7との電位差により、中間転写媒体5と転写ローラ7とが近接配置されている2次転写部において記録媒体としての多孔質基材に転写される。2次転写ローラ7は、図1における転写ローラ4と同様の部材を用いた。
現像剤像を転写された多孔質基材は、現像剤像を重力方向上側としたまま流路パターン形成ユニット200の外部に排出される。なお、中間転写体5を通過した後の感光ドラム11は、当接したクリーニング部材14によって、転写されなかった現像剤を掻き取られ、帯電ローラ12による帯電からのプロセスを再度繰り返すことで、連続的に像形成を行っている。
<Flow path pattern formation process>
The operation of the process cartridge in the flow path pattern formation is the same as that of the flow path pattern forming unit in the first embodiment. The developer image developed on the
The porous substrate onto which the developer image has been transferred is discharged to the outside of the flow path
流路パターン形成ユニット200は、用いる多孔質基材の実質空隙率と厚みに応じて、主に4つの現像モード(印刷モード)を有している。
現像モード1は、プロセスカートリッジP1のみの樹脂粒子Aを用いて多孔質基材へ樹脂粒子A像を形成するモードである。すなわち、流路パターン形成プロセスにおいて、プロセスカートリッジP1は感光ドラム11へレーザ光9を照射して樹脂粒子Aを現像するが、プロセスカートリッジP2、P3、P4は感光ドラム11へレーザ光9を照射せず、樹脂粒子Aを現像しない。現像モード1では図11の流路パターン形成ユニット100と同様に、多孔質基材表面に単位面積当たり1.25mg/cm2の樹脂粒子A像を形成できる。
The flow path
The
現像モード2は、プロセスカートリッジP1およびP2の樹脂粒子Aを用いて多孔質基材へ樹脂粒子A像を形成する。つまり、流路パターン形成プロセスにおいてプロセスカートリッジP1およびP2へレーザ光9を照射し、プロセスカートリッジP3およびP4へはレーザ光9を照射しない。これにより、多孔質基材S2の表面に単位面積当たり2.5mg/cm2の樹脂粒子Aの像を形成できる。
In the
現像モード3は、プロセスカートリッジP1、P2、P3の樹脂粒子Aを用いて多孔質基材へ樹脂粒子Aの像を形成する。つまり、流路パターン形成プロセスにおいてプロセスカートリッジP1、P2、P3へレーザ光9を照射し、プロセスカートリッジP4へはレーザ光9を照射しない。これにより、多孔質基材表面に単位面積当たり3.75mg/cm2の樹脂粒子A像を形成できる。
In the development mode 3, an image of resin particles A is formed on the porous substrate using resin particles A in the process cartridges P1, P2, and P3. That is, in the flow path pattern forming process, the process cartridges P1, P2, and P3 are irradiated with
現像モード4は、プロセスカートリッジP1、P2、P3、P4全ての樹脂粒子Aを用いて多孔質基材へ樹脂粒子A像を形成する。つまり、流路パターン形成プロセスにおいてプロセスカートリッジP1、P2、P3、P4の全てへレーザ9光を照射する。これにより、多孔質基材表面に単位面積当たり5.0mg/cm2の樹脂粒子A像を形成できる。
In the
<現像モードの選択>
流路パターン形成ユニット200は前述した複数の現像モードを有しているため、ユーザーは印刷する多孔質基材S2の条件に応じて、例えばホスト装置としてのパソコンから現像モードを選択することができる。どの現像モードが適切かは、多孔質基材S2の厚みと実質的な空隙率によって決まる。多孔質基材S2の空隙に対して載せる樹脂粒子量が少ないと、多孔質基材S2の空隙を埋め切ることができず、マイクロ流路デバイスとして流路に漏れが生じてしまう。また、多孔質基材S2の空隙に対して載せる樹脂粒子量が多すぎると、空隙を埋め切る量に対して過剰な樹脂粒子が流路パターンの範囲を超えて多孔質基材S2内に拡散し、流路を狭めてしまう可能性がある。そのため、現像モードは、少なくとも多孔質基材S2の空隙を埋め切り、かつできる限り埋め切るのに近しい樹脂粒子量となる現像モードを選択すると良い。
<Selecting the development mode>
Since the flow path
現像モード選択の例として、例えば実施例に示した多孔質基材に対して厚みのみ異なる濾紙を用いる場合を考える。80μmの厚さである多孔質基材S2を用いる際に、多孔質基材S2の上に1.0mg/cm2以上の樹脂粒子が必要であるとすると、単位面積当たりの樹脂粒子量によって良好な流路を形成できる最大濾紙厚みは以下の様に算出できる。つまり、良好な流路を形成できる現像モード毎の最大濾紙厚み=80(μm)×現像モード毎の多孔質基材表面の樹脂粒子量(mg/cm2)/1.0(mg/cm2)である。表3に、各現像モードにおいて、漏れの無い良好な流路が形成できる濾紙厚みの最大値を示す。 As an example of development mode selection, consider the case where filter paper with only a different thickness is used for the porous substrate shown in the embodiment. When using a porous substrate S2 with a thickness of 80 μm, if 1.0 mg/cm 2 or more of resin particles are required on the porous substrate S2, the maximum filter paper thickness that can form a good flow path according to the amount of resin particles per unit area can be calculated as follows. That is, the maximum filter paper thickness for each development mode that can form a good flow path = 80 (μm) × the amount of resin particles (mg/cm 2 ) on the porous substrate surface for each development mode / 1.0 (mg/cm 2 ). Table 3 shows the maximum filter paper thickness that can form a good flow path without leakage in each development mode.
表3より、この条件に基づくと、濾紙の厚さに応じて下記の現像モードを選択すると良い。
厚さ100μm以下の濾紙:現像モード1
厚さ100μm~200μmの濾紙:現像モード2
厚さ200μm~300μmの濾紙:現像モード3
厚さ300μm~400μmの濾紙:現像モード4
一例として現像モードと濾紙の厚さとの組み合わせを示したが、必要な樹脂粒子の量は、濾紙の空隙率によっても変化するため、濾紙の空隙率に応じて、現像モードは変更される。
Based on these conditions, it is recommended to select the following development mode according to the thickness of the filter paper from Table 3.
Filter paper with a thickness of 100 μm or less:
Filter paper with a thickness of 100 μm to 200 μm:
Filter paper with a thickness of 200 μm to 300 μm: Development mode 3
Filter paper with a thickness of 300 μm to 400 μm:
A combination of development mode and filter paper thickness is shown as an example, but the amount of resin particles required also varies depending on the porosity of the filter paper, so the development mode is changed depending on the porosity of the filter paper.
<両面印刷>
なお、上記は、多孔質基材の片面に樹脂粒子を載せて加熱により多孔質内に樹脂粒子を浸透させる方法による最大濾紙厚みを示したが、両面印刷によってより厚みのある多孔質基材においても漏れの無い良好な流路を形成することが可能である。
両面印刷の一例として、多孔質基材と厚さのみ異なる、厚さ600μmの多孔質基材S2に両面印刷する方法を、図8を用いて説明する。
図8(a)、図8(b)、図8(c)、および図8(d)に、両面印刷における各プロセスの、樹脂粒子Aを載せた箇所の断面図を示した。なお以下では、初めに樹脂粒子Aを載せる面を多孔質基材S2の表側と称し、後に樹脂粒子Aを載せる面を多孔質基材S2の裏側と称する。
<Double-sided printing>
Note that the above shows the maximum filter paper thickness achieved by placing resin particles on one side of a porous substrate and then heating to cause the resin particles to penetrate into the porous substrate. However, by using double-sided printing, it is possible to form good flow paths without leakage even in thicker porous substrates.
As an example of double-sided printing, a method of double-sided printing on a porous substrate S2 having a thickness of 600 μm, which differs from the porous substrate only in thickness, will be described with reference to FIG.
8(a), 8(b), 8(c), and 8(d) are cross-sectional views of the locations where resin particles A are placed in each process of double-sided printing. In the following, the surface on which the resin particles A are placed first is referred to as the front side of the porous substrate S2, and the surface on which the resin particles A are placed later is referred to as the back side of the porous substrate S2.
まず、多孔質基材S2の厚さが600μmであることから、表3より、現像モード3による両面印刷を選択した。図8(a)に、現像モード3による流路パターン形成プロセスを経た状態を示す。このとき、樹脂粒子Aは多孔質基材S2の表側に付着しただけの状態である。 First, since the thickness of the porous substrate S2 is 600 μm, double-sided printing using development mode 3 was selected from Table 3. Figure 8 (a) shows the state after the flow path pattern formation process using development mode 3. At this time, the resin particles A are simply attached to the front side of the porous substrate S2.
次に加熱プロセスを経た状態を図8(b)に示す。加熱により多孔質基材S2の表側に付着した樹脂粒子Aが多孔質基材S2の内部に浸透した状態である。しかし、このとき、多孔質基材S2の厚みに対して樹脂粒子Aの量が少ないため、溶融した樹脂は多孔質基材S2の裏側までは行き渡らず、溶融した樹脂で囲われた流路は形成できていない。 Next, the state after the heating process is shown in FIG. 8(b). The resin particles A attached to the front side of the porous substrate S2 have penetrated into the interior of the porous substrate S2 due to heating. However, at this time, because the amount of resin particles A is small compared to the thickness of the porous substrate S2, the molten resin does not reach the back side of the porous substrate S2, and no flow path surrounded by the molten resin is formed.
そこで次に多孔質基材S2を裏返し、再度現像モード3による流路パターン形成プロセスを経た状態を、図8(c)に示す。2度目の現像により、先程表側で溶融した樹脂を浸透させた箇所の裏側へと樹脂粒子Aを載せている。 Then, the porous substrate S2 is turned over and the flow path pattern formation process is carried out again in development mode 3, as shown in FIG. 8(c). By the second development, resin particles A are placed on the back side of the area that was previously infiltrated with the molten resin on the front side.
その後、再び加熱プロセスを経た後の状態を、図8(d)に示す。再び加熱プロセスを経ることで、多孔質基材S2の裏側からも樹脂粒子Aを溶融した樹脂が浸透し、既に表側から浸透していた樹脂と繋がることで、樹脂粒子Aを溶融した樹脂に囲まれた流路82が形成される。 The state after the heating process is then performed again is shown in FIG. 8(d). By performing the heating process again, the resin containing the molten resin particles A also permeates from the back side of the porous substrate S2, and connects with the resin that has already permeated from the front side, forming a flow path 82 surrounded by the resin containing the molten resin particles A.
以上の様に、表面のみの印刷では漏れの無い良好な流路を形成困難な厚みの多孔質基材においても、紙の表裏両面より樹脂粒子Aを溶融した樹脂を浸透させることで漏れの無い良好な流路を形成できる。つまり、本実施例の構成においては、現像モード4の2倍の厚みである800μmの多孔質基材まで漏れの無い良好な流路を形成できる。また、プロセスカートリッジPを5本以上備えた流路パターン形成ユニットを用いることによって、より空隙率が高く厚みのある多孔質基材への流路形成も可能である。
As described above, even in porous substrates of a thickness where it is difficult to form good flow paths without leakage by printing only on the front side, good flow paths without leakage can be formed by infiltrating the resin made of molten resin particles A from both the front and back sides of the paper. In other words, in the configuration of this embodiment, good flow paths without leakage can be formed in porous substrates up to 800 μm thick, which is twice as thick as in
<樹脂粒子量の微調整>
なお、本実施例においては、各現像モードにおいて多孔質基材上に載せる樹脂粒子量は離散的な値となっているが、各現像モードの間の値となる樹脂粒子量を載せることも可能である。例えば現像周速比を変えることで、各プロセスカートリッジPにおいて現像される樹脂粒子量は変わるので、現像周速比によって多孔質基材へ載せる樹脂粒子量を調整しても良い。また、レーザ光9の強度を弱めることで、現像ローラ23から感光ドラム11へ現像される樹脂粒子の割合(いわゆる現像効率)を下げることができるため、レーザ光の強度によって多孔質基材へ載せる樹脂粒子量を調整しても良い。多孔質基材へ載せる樹脂粒子量を最適化することで、多孔質基材の空隙を埋め切るのに対して過剰な樹脂粒子を削減できるため、より精度の高いマイクロ流路デバイスを作成可能である。
<Fine adjustment of resin particle amount>
In this embodiment, the amount of resin particles placed on the porous substrate in each development mode is a discrete value, but it is also possible to place an amount of resin particles that is a value between each development mode. For example, by changing the development circumferential speed ratio, the amount of resin particles developed in each process cartridge P changes, so the amount of resin particles placed on the porous substrate may be adjusted by the development circumferential speed ratio. In addition, by weakening the intensity of the
<まとめ>
以上説明した様に、現像モード、片面印刷/両面印刷、現像周速比/レーザ光強度、を適切に選択することで、多様な多孔質基材に合わせて厚みを適切に調整した樹脂粒子像を、安定して多孔質基材上へ形成することが容易にできる。これは、多孔質基材上に載せる樹脂粒子量を容易に精度良く広範囲で調整できる電子写真方式を用いることによって達成されている。
<Summary>
As described above, by appropriately selecting the development mode, single-sided printing/double-sided printing, development speed ratio/laser light intensity, it is possible to easily and stably form a resin particle image on a porous substrate with an appropriately adjusted thickness according to various porous substrates. This is achieved by using an electrophotographic method that can easily and accurately adjust the amount of resin particles placed on the porous substrate over a wide range.
<実施例5>
実施例5では、形成された流路の一方の表面側を覆う保護層を設けたマイクロ流路デバイスを製造する。保護層を形成することにより、流路を閉じた系にすることができ、試料液の乾燥を防ぐことや、試料液が手に付着するのを防止でき、安全性が向上する。
本実施例では、流路壁を形成する材料と保護層を形成する材料とを同一材料とした。この場合、流路壁と保護層の密着性が向上し、密閉度の高い流路デバイスとなる。同一の材料において、流路壁と保護層をもつマイクロ流路デバイス作る場合は、保護層と流路壁を形成するプロセスを分けて行う。
Example 5
In Example 5, a microchannel device is manufactured in which a protective layer is provided to cover one surface side of the formed channel. By forming the protective layer, the channel can be made into a closed system, and the sample liquid can be prevented from drying out and from sticking to hands, improving safety.
In this embodiment, the material forming the flow channel wall and the material forming the protective layer are the same material. In this case, the adhesion between the flow channel wall and the protective layer is improved, resulting in a flow channel device with high sealing performance. When making a micro flow channel device having a flow channel wall and a protective layer using the same material, the processes of forming the protective layer and the flow channel wall are performed separately.
本実施例では、一方の面にポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(東レ株式会社製、ルミラーS10、厚み50μm)をカバーフィルムBとして接着した多孔質基材S1-2を用いた。カバーフィルムBを接着することにより、接着した側における、乾燥や汚染などを抑制することができる。カバーフィルムの平均厚みは、強度とフレキシブル性の両立の観点から、0.01mm以上0.5mm以下が好ましい。
カバーフィルムの材質としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、以下のものが挙げられる。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)等のポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド樹脂(PI)、ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン、スチレン-アクリロニトリル共重合体、セルロースアセテート、など。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、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)が特に好ましい。
In this example, a porous substrate S1-2 was used in which a polyethylene terephthalate (PET) film (Toray Industries, Inc., Lumirror S10, thickness 50 μm) was attached to one side as a cover film B. By attaching the cover film B, it is possible to suppress drying and contamination on the attached side. The average thickness of the cover film is preferably 0.01 mm or more and 0.5 mm or less from the viewpoint of achieving both strength and flexibility.
The material of the cover film is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, and examples thereof include the following: polyesters such as polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate, polyimide resin (PI), polyamide, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polystyrene, styrene-acrylonitrile copolymer, cellulose acetate, etc. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene naphthalate (PEN) are particularly preferred.
先ず、多孔質基材S1-2のPETフィルムBを接着していない面に、実施例1と同様にして、樹脂粒子Aを載せた。その後、樹脂粒子を溶融し、多孔質基材に浸透させ、図4(a)の流路パターンとなるように流路壁を形成した(図9(a)~(b))。
次いで、図4(a)における流路82を覆う位置に、流路パターン形成プロセスを経させて樹脂粒子Aを載せた(図9(c))。この際、流路の両側の流路壁にそれぞれ2.25mm重なるように樹脂粒子を載せた。
次いで、第二加熱プロセスとして、120℃で2分間の加熱を行った。この温度では、多孔質基材表面に載せられたCOCは表面で溶融し、多孔質基材内に浸透しないため、多孔質基材S1-2の内部に形成された流路は維持される。その結果、流路をカバーするように保護層が形成される(図9(d))。
First, resin particles A were placed on the surface of the porous substrate S1-2 to which the PET film B was not attached, in the same manner as in Example 1. The resin particles were then melted and allowed to permeate the porous substrate, forming flow path walls so as to form the flow path pattern of FIG. 4(a) (FIGS. 9(a) to (b)).
Next, resin particles A were placed through a flow path pattern forming process at a position covering the flow path 82 in Fig. 4(a) (Fig. 9(c)). At this time, the resin particles were placed so as to overlap the flow path walls on both sides of the flow path by 2.25 mm each.
Next, as a second heating process, heating was performed at 120°C for 2 minutes. At this temperature, the COC placed on the surface of the porous substrate melts on the surface and does not penetrate into the porous substrate, so the flow path formed inside the porous substrate S1-2 is maintained. As a result, a protective layer is formed to cover the flow path (Figure 9(d)).
本実施例では、多孔質基材の一方の面にカバーフィルムを接着したが、カバーフィルムに代えてCOCを用いて保護層を形成し、多孔質基材の両面に保護層を有するマイクロ流路デバイスとしてもよい。
また、本実施例では、流路壁を形成する樹脂と保護層を形成する樹脂とを同じ樹脂としたが、異なる樹脂であってもよい。異なる樹脂とする場合、水の影響を防ぐため、疎水性の樹脂を用いることが好ましい。
比較のために、第二加熱プロセスにおける加熱温度を130℃に変更して、保護層の形成を行ったが、樹脂粒子が浸透してしまい、流路を塞いでしまった。また、貯蔵弾性率G’が、20Paとなる温度に調整して、保護層の形成を行ったところ、樹脂粒子の浸透は起こらず、良好な保護層が形成された。
上記の結果から、保護層を形成する第二加熱プロセスの加熱温度は、
多孔質基体に樹脂粒子が浸透しない貯蔵弾性率G’(14Pa以上、好ましくは20Pa以上)を保てる温度以下であること、かつ、
保護層となる程度には樹脂粒子が溶融する温度(軟化温度)以上であること
が求められる。
In this embodiment, a cover film was adhered to one side of the porous substrate, but a protective layer may be formed using COC instead of a cover film, resulting in a microchannel device having protective layers on both sides of the porous substrate.
In the present embodiment, the resin forming the flow path wall and the resin forming the protective layer are the same resin, but they may be different resins. In the case where different resins are used, it is preferable to use a hydrophobic resin in order to prevent the influence of water.
For comparison, the heating temperature in the second heating process was changed to 130° C. to form a protective layer, but the resin particles penetrated and blocked the flow path. When the protective layer was formed by adjusting the temperature to a temperature at which the storage modulus G' was 20 Pa, the resin particles did not penetrate and a good protective layer was formed.
From the above results, the heating temperature of the second heating process for forming the protective layer is
The temperature is equal to or lower than a temperature at which the storage modulus G' (14 Pa or more, preferably 20 Pa or more) at which the resin particles do not penetrate into the porous substrate can be maintained, and
To be able to form a protective layer, the temperature must be equal to or higher than the melting point (softening point) of the resin particles.
<実施例6>
実施例5においては、多孔質基材の表面に、流路を覆う保護層を形成したが、多孔質基材内部の流路の表面側に保護層を形成することもできる。本実施例では、そのようなマイクロ流路デバイスを製造する。なお、多孔質基材S1は裏面にラミネート等のバックアップ材Bを有する。
先ず、実施例1と同様にして、多孔質基材S1に樹脂粒子Aを載せて、その後、樹脂粒子をし、多孔質基材内に浸透させ、図4(a)の流路パターンとなるように流路壁を形成した(図10(a)~(b))。
Example 6
In Example 5, a protective layer was formed on the surface of the porous substrate to cover the flow path, but a protective layer can also be formed on the surface side of the flow path inside the porous substrate. In this example, such a microchannel device is manufactured. The porous substrate S1 has a backing material B such as a laminate on the back side.
First, in the same manner as in Example 1, resin particles A were placed on the porous substrate S1, and then the resin particles were allowed to penetrate into the porous substrate, forming flow path walls so as to form the flow path pattern of FIG. 4(a) (FIGS. 10(a)-(b)).
次いで、図4(a)における流路82部に、樹脂粒子Aを載せた(図10(c))。
次いで、120℃で30秒間の加熱を行った。この加熱時間では、十分な浸透が起こらないため、流路の上部を被覆する保護層が形成される(図10(d))。この条件では、0.04mm程度の浸透が生じるため、厚さ0.08mmの多孔質基材を用いた場合には、0.04mm程度の流路高さを確保できる。加熱時間は、用いる材料や形成する保護層の厚さに合わせて、適宜調整することができる。
Next, resin particles A were placed in the flow path 82 in FIG. 4(a) (FIG. 10(c)).
Next, heating was performed at 120°C for 30 seconds. Since sufficient penetration does not occur during this heating time, a protective layer covering the upper part of the flow path is formed (Figure 10 (d)). Under these conditions, penetration of about 0.04 mm occurs, so when a porous substrate with a thickness of 0.08 mm is used, a flow path height of about 0.04 mm can be ensured. The heating time can be appropriately adjusted according to the material used and the thickness of the protective layer to be formed.
<実施例7>
実施例6では、加熱時間を変更して、保護層を形成したが、流路部に載せるCOC粒子の載り量を少なくして、浸透する樹脂量を減らすることで、同様の保護層を形成する。本実施例では、そのようなマイクロ流路デバイスを製造する。この製造方法では、複数の材料を使用することなく、また、加熱プロセスを二度行うこともないため、簡易に保護層を形成することができる。
本実施例では、流路パターン形成プロセスにおいて流路パターンを形成する際に、流路壁となる領域と流路となる領域の両方に樹脂粒子Aを載せる。多孔質基材S1の流路となる部分の表面には、流路壁となる部分の表面に載せる樹脂粒子Aの量よりも少量の樹脂粒子Aを載せる(図11(a))。載り量としては、流路壁を形成する部分の25~75質量%程度であることが好ましい。
次いで、加熱プロセスを行う。加熱条件としては、実施例1と同様、200℃で2分間とした。加熱プロセスを経ることにより、流路壁部の樹脂粒子は浸透して、流路壁を形成する。一方、流路部の樹脂粒子は、量が少ないため、多孔質基材中にわずかに浸透した状態で留まる(図11(b))。この際の浸透の程度は、加熱温度での貯蔵弾性率G’が低いほど大きくなるため、貯蔵弾性率G’が低すぎないことが求められる。200℃での貯蔵弾性率G’が、0.2Paの樹脂粒子を用いたところ、流路高さ0.02mmと低くなったため、貯蔵弾性率G’としては、0.2Pa以上であることが好ましい。より好ましくは、貯蔵弾性率G’が0.4Pa以上である。尚、流路高さとは、紙の厚さから浸透した距離を引いたものであり、0.02mm以上あることが好ましい。
Example 7
In Example 6, the heating time was changed to form the protective layer, but the amount of COC particles placed on the flow channel was reduced to reduce the amount of resin that penetrates, forming a similar protective layer. In this example, such a micro flow channel device is manufactured. In this manufacturing method, a protective layer can be easily formed without using multiple materials and without performing the heating process twice.
In this embodiment, when forming a flow path pattern in the flow path pattern forming process, resin particles A are placed on both the region that becomes the flow path wall and the region that becomes the flow path. A smaller amount of resin particles A is placed on the surface of the part that becomes the flow path of the porous substrate S1 than the amount of resin particles A placed on the surface of the part that becomes the flow path wall (FIG. 11(a)). The amount of resin particles A is preferably about 25 to 75 mass % of the part that forms the flow path wall.
Next, a heating process is performed. The heating conditions are the same as in Example 1, at 200 ° C. for 2 minutes. Through the heating process, the resin particles in the flow path wall part permeate to form a flow path wall. On the other hand, since the amount of resin particles in the flow path part is small, they remain in a state of slightly permeating into the porous substrate (FIG. 11 (b)). The degree of permeation at this time increases as the storage modulus G' at the heating temperature decreases, so it is required that the storage modulus G' is not too low. When resin particles with a storage modulus G' of 0.2 Pa at 200 ° C. were used, the flow path height was as low as 0.02 mm, so the storage modulus G' is preferably 0.2 Pa or more. More preferably, the storage modulus G' is 0.4 Pa or more. The flow path height is the thickness of the paper minus the permeated distance, and is preferably 0.02 mm or more.
<実施例8>
実施例8では、流路を覆うように保護層を設ける別の実施例を示す。実施例8では、図7の流路パターン形成ユニットを用いて、保護層と流壁の材料を変えることで、貯蔵弾性率G’を制御し、保護層を形成する。
図7を用いる流路パターン形成プロセスは、上述した通りであり、本実施例においては、プロセスカートリッジP1にCOC(ポリプラスチックス(株)製、8007グレード)を入れ、プロセスカートリッジP2にCOC(ポリプラスチックス(株)製、TMグレード)を入れる。その他のプロセスカートリッジは空とする。
先ず、プロセスカートリッジP1を用いて、中間転写体5の上に、保護層のパターンを形成し、次いで、形成した保護層のパターンの上に、プロセスカートリッジP2を用いて流路壁のパターンを重ね合わせる(図12(a))。
その後、中間転写体から多孔質基材上に、重ね合わされたパターンを転写する(図12(b))。
このパターンが転写された多孔質基材を、加熱プロセスで200℃、2分間の条件で加熱することにより、流路上に保護層を設けたマイクロ流路デバイスが得られる(図12(c))。
尚、保護層を形成するために用いる樹脂粒子としては、実施例5の結果を考慮すると、加熱プロセスにおける温度での貯蔵弾性率G’が20Pa以上であるものが好ましい。
上記の実施例では、2つのカートリッジだけを用いて、流路と保護層の形成を行ったが、空いているカートリッジを用いて、他の樹脂を用いた保護層を更に形成することもできる。
Example 8
In Example 8, another example is shown in which a protective layer is provided so as to cover the flow path. In Example 8, the flow path pattern forming unit of Fig. 7 is used to form the protective layer while controlling the storage modulus G' by changing the materials of the protective layer and the flow wall.
7 is as described above, and in this embodiment, COC (manufactured by Polyplastics Co., Ltd., 8007 grade) is placed in process cartridge P1, and COC (manufactured by Polyplastics Co., Ltd., TM grade) is placed in process cartridge P2. The other process cartridges are empty.
First, a protective layer pattern is formed on the
The superimposed patterns are then transferred from the intermediate transfer member onto the porous substrate (FIG. 12(b)).
The porous substrate onto which this pattern has been transferred is heated in a heating process at 200° C. for 2 minutes to obtain a microchannel device with a protective layer provided on the channel (FIG. 12(c)).
Considering the results of Example 5, the resin particles used to form the protective layer preferably have a storage modulus G' of 20 Pa or more at the temperature in the heating process.
In the above embodiment, the flow path and the protective layer were formed using only two cartridges, but it is also possible to form an additional protective layer using another resin using an empty cartridge.
<実施例9>
実施例1~8では、加熱プロセスにおける加熱ユニットとして、オーブンを用いたが、本実施例では、加熱加圧式のユニットを用いる。
図13を参照して、流路パターン形成ユニット全体の構成について説明する。図13は流路パターン形成ユニット500の概略構成を断面的に示したものであり、各構成について簡略的に示している。
流路パターン形成ユニット500には、後述する定着分離用現像剤TBを有する第1のプロセスカートリッジP1、樹脂粒子Aを有する第2のプロセスカートリッジP2が水平方向に配置されており、また、定着ユニット550が設けられている。
先ず、プロセスカートリッジP1を用いて、中間転写体5の上に、定着分離用現像剤層を流路壁パターンと同じ形状で形成する。次いで、形成した定着分離用トナー層の上に、プロセスカートリッジP2を用いて流路壁パターンを重ね合わせる。その後、中間転写体から多孔質基材上に、形成されたパターンを転写する。
<Example 9>
In Examples 1 to 8, an oven was used as the heating unit in the heating process, but in this example, a heating and pressurizing unit is used.
The overall configuration of the flow path pattern forming unit will be described with reference to Fig. 13. Fig. 13 is a cross-sectional view showing the schematic configuration of the flow path
In the flow path
First, a fixing/separating developer layer is formed in the same shape as the flow path wall pattern on the
多孔質基材上に形成された流路パターンは、定着ユニット550による加熱・加圧プロセスを経ることで、樹脂粒子Aが多孔質基材へと浸透し、疎水性の壁に囲まれた流路を有するマイクロ流路デバイスとなる。尚、定着分離用現像剤層は、溶融した樹脂粒子Aが定着部材に付着するのを防ぐための層であり、載り量としては0.1mg/cm2程度の極少量でよい。
定着ユニットは、浸透が良好に行われる温度領域まで、樹脂粒子を昇温することが可能なものであればよく、電子写真方式の画像形成装置において一般的に用いられるものを用いることができる。中でも、流路を乱さない観点から、低圧で定着が行われることが好ましく、図14に示すようなフィルム式の定着ユニットが好適である。
The flow path pattern formed on the porous substrate undergoes a heating and pressurizing process by the fixing
The fixing unit may be any unit capable of raising the temperature of the resin particles to a temperature range where the permeation is favorable, and may be any unit generally used in electrophotographic image forming apparatuses. In particular, from the viewpoint of not disturbing the flow path, it is preferable that the fixing is performed at a low pressure, and a film-type fixing unit as shown in FIG. 14 is suitable.
図14に記載の定着ユニットについて、簡単に記載する。加熱回転体552は加圧ローラ551に加熱フィルム554を介して圧接されている。加圧ローラ551と支持ホルダー555、板状発熱体553とに挟持された加熱フィルム554は、加圧ローラ551に対して支持ホルダー555ならびに不図示の定着ステーの周りを従動回転する。加圧ローラ551は、アルミあるいは鉄製の芯金556、その外側に弾性層557、弾性層557の表面を被覆する離型性層558から形成される。
また、定着分離用現像剤は、電子写真方式の画像形成装置用のトナーとして一般的に用いられるものであればよく、熱可塑性樹脂を結着樹脂として、離型剤を含有するものが好ましい。但し、一般的なトナーに含有される着色剤は不要である。
また、加熱加圧式のユニットを用いた加熱プロセスを予備加熱プロセスとして、その後に、オーブンによる本加熱プロセスを行うなど、複合的な加熱プロセスを行ってもよい。
The fixing unit shown in Fig. 14 will be briefly described. A
The fixing/separating developer may be any developer that is generally used as a toner for an electrophotographic image forming apparatus, and preferably contains a thermoplastic resin as a binder resin and a release agent, but does not need to contain a colorant that is generally contained in a toner.
In addition, a composite heating process may be performed, for example, by performing a heating process using a heating and pressurizing unit as a preheating process and then performing a main heating process using an oven.
<実施例10>
実施例10においては、実施例8の貯蔵弾性率G’の異なる現像剤を用いて、保護層を形成する技術と、実施例7の載り量を変えて保護層を形成する技術とを併用した。そして、多孔質基材の表面に保護層を載せつつ、多孔質基材内部の表面側にも保護層を形成した(図15(a)~(b))。このような保護層の形成を両面から行うことにより、流路が強固に保護されたマイクロ流路デバイスが得られる(図15(c)~(d))。
Example 10
In Example 10, the technique of forming a protective layer using a developer with a different storage modulus G' in Example 8 and the technique of forming a protective layer by changing the amount of the protective layer in Example 7 were used in combination. Then, while a protective layer was placed on the surface of the porous substrate, a protective layer was also formed on the surface side inside the porous substrate (FIGS. 15(a)-(b)). By forming such protective layers from both sides, a microchannel device in which the channels are strongly protected can be obtained (FIGS. 15(c)-(d)).
<実施例11>
本実施例では、検査液部表面に、印字率を下げたカバー層を設けたマイクロ流路デバイスを製造する。保護層は印字率100%のベタ画像として形成したものであったが、検査液部表面にカバー層を設ける場合には、印字率10~90%の範囲で適宜調整される。検査液部の表面にカバー層を設けることによって、検査液が検査液部に流入する量を制御することができる。検査液の流入量を大きく下げたい場合には、カバー層の印字率を高くし、わずかに下げたい場合には、カバー層の印字率を低くすればよい。
検査液部にカバー層を設けたマイクロ流路デバイスの製造方法の具体例を以下に記載する。
先ず、実施例1と同様にして、多孔質基材上に樹脂粒子Aを載せて、溶融・浸透させ、図4(b)の流路パターンとなるように流路壁を形成した。
Example 11
In this example, a microchannel device is manufactured in which a cover layer with a reduced printing rate is provided on the surface of the test liquid section. The protective layer was formed as a solid image with a printing rate of 100%, but when a cover layer is provided on the surface of the test liquid section, the printing rate is appropriately adjusted within the range of 10 to 90%. By providing a cover layer on the surface of the test liquid section, the amount of test liquid flowing into the test liquid section can be controlled. If it is desired to greatly reduce the amount of test liquid flowing in, the printing rate of the cover layer should be increased, and if it is desired to reduce it slightly, the printing rate of the cover layer should be decreased.
A specific example of a method for manufacturing a microchannel device in which a cover layer is provided on the test liquid section will be described below.
First, in the same manner as in Example 1, resin particles A were placed on the porous substrate and melted and impregnated to form flow path walls so as to form the flow path pattern shown in FIG. 4(b).
次いで、実施例5において保護層を形成する工程と同様にして、以下の工程を行い図16に記載のマイクロ流路デバイスを完成させた。尚、図16において、310aが試薬部、310eが流路である。
流路を覆うように印字率100%で保護層320を形成するために必要な量のCOC粒子(樹脂粒子A)を載せ、
検査液部310cを覆うように、印字率50%のカバー層311cを形成するために必要な量のCOC粒子(樹脂粒子A)を載せ、
検査液部310bを覆うように、印字率80%のカバー層311bを形成するために必要な量のCOC粒子(樹脂粒子A)を載せた。
その後、120℃で2分間の加熱を行い、多孔質基材の表面に保護層320及びカバー層311b~cを形成した。
Next, the following steps were carried out in the same manner as in the step of forming the protective layer in Example 5 to complete the microchannel device shown in Fig. 16. In Fig. 16, 310a denotes a reagent portion, and 310e denotes a channel.
A necessary amount of COC particles (resin particles A) is placed to form a protective layer 320 with a printing rate of 100% so as to cover the flow path.
A necessary amount of COC particles (resin particles A) is placed on the test liquid portion 310c to form a cover layer 311c with a printing rate of 50%.
A necessary amount of COC particles (resin particles A) was placed on the test liquid portion 310b to form a cover layer 311b with a printing rate of 80%.
Thereafter, heating was performed at 120° C. for 2 minutes to form a protective layer 320 and cover layers 311b-c on the surface of the porous substrate.
このマイクロ流路デバイスは、
検査液が多量に必要な場合には、検査液部310dから検査液を付着させ、
それに対して少ない量、例えば、半分程度の検査液の流入量にしたい場合は、検査液部310cから検査液を付着させ、
更に少ない量としたい場合には、検査液部310bから検査液を付着させるといった使い方ができる。
検査液部310cに印字したカバー層311cのパターンが印字率50%のパターンなら、検査液部310cに流入する検査液の量は滴下した検査液の量の半分程度となる。
また、検査液部310bに印字したカバー層311bのパターンが印字率80%のパターンなら、検査液部310bに流入する検査液の量は滴下した検査液の量の20%程度となる。
This microfluidic device is
When a large amount of test liquid is required, the test liquid is applied from the test liquid portion 310d.
On the other hand, if it is desired to reduce the amount of test liquid to flow in, for example, to about half the amount, the test liquid is applied from the test liquid portion 310c,
If an even smaller amount is desired, the test liquid can be applied from the test liquid portion 310b.
If the pattern of the cover layer 311c printed on the test liquid portion 310c has a printing rate of 50%, the amount of test liquid flowing into the test liquid portion 310c will be about half the amount of the test liquid dropped.
Furthermore, if the pattern of the cover layer 311b printed on the test liquid portion 310b has a printing rate of 80%, the amount of test liquid flowing into the test liquid portion 310b will be about 20% of the amount of test liquid dropped.
4‥転写ローラ
5‥中間転写体
6‥1次転写ローラ
7‥2次転写ローラ
P ‥プロセスカートリッジ
11‥感光ドラム
12‥帯電ローラ
14‥クリーニングブレード
15‥メモリ
20‥現像装置
21‥現像容器
23‥現像ローラ
24‥樹脂粒子供給ローラ
25‥現像ブレード
T‥現像剤
71‥帯電高圧電源
72‥現像高圧電源
73‥露光ユニット
74‥転写高圧電源
75‥接離ユニット
80‥流路パターン
81‥樹脂粒子像
82‥流路
83‥試薬部
84‥検査液部
200‥流路パターン形成ユニット
4.
Claims (13)
前記多孔質基材の表面に、第一の疎水性樹脂を載せて、前記多孔質基材の表面に流路パターンを形成する工程、および
前記第一の疎水性樹脂を熱により溶融させて、前記第一の疎水性樹脂を前記多孔質基材の内部に浸透させて、前記多孔質基材の内部に流路壁を形成する工程、
を有し、
前記流路壁を形成する工程において、前記第一の疎水性樹脂の貯蔵弾性率G’が14Pa以下、かつ損失弾性率G’’が10Pa以上である温度にて、前記第一の疎水性樹脂を浸透させることを特徴とするマイクロ流路デバイスの製造方法。 A method for manufacturing a microchannel device in which a channel sandwiched between channel walls is formed inside a porous substrate, comprising the steps of:
A step of placing a first hydrophobic resin on the surface of the porous substrate to form a flow path pattern on the surface of the porous substrate; and a step of melting the first hydrophobic resin by heat to cause the first hydrophobic resin to penetrate into the porous substrate to form a flow path wall inside the porous substrate.
having
A method for manufacturing a microchannel device, characterized in that in the step of forming the channel wall, the first hydrophobic resin is infiltrated at a temperature at which the storage modulus G ' of the first hydrophobic resin is 14 Pa or less and the loss modulus G'' of the first hydrophobic resin is 10 Pa or more.
前記第一の疎水性樹脂を溶融させることにより、前記多孔質基材の内部に流路壁を形成するとともに、前記流路の表面側を塞ぐように保護層を形成する請求項8に記載のマイクロ流路デバイスの製造方法。 In the flow path pattern, the first hydrophobic resin is present in both a region that becomes a flow path wall and a region that becomes a flow path, and the amount of the first hydrophobic resin in the region that becomes the flow path wall is made greater than the amount of the first hydrophobic resin in the region that becomes the flow path,
9. The method for manufacturing a microchannel device according to claim 8, wherein the first hydrophobic resin is melted to form a channel wall inside the porous substrate and to form a protective layer to block the surface side of the channel.
前記第一の疎水性樹脂及び前記第二の疎水性樹脂を溶融させることにより、前記多孔質基材の内部に第一の疎水性樹脂で構成される流路壁を形成するとともに、前記流路を覆うように前記第二の疎水性樹脂で構成される保護層を形成する請求項8に記載のマイクロ流路デバイスの製造方法。 In the flow path pattern, a second hydrophobic resin having a storage modulus of 20 Pa or more at a temperature in a process of forming a flow path wall is present in a region that becomes a flow path,
9. The method for manufacturing a microchannel device according to claim 8, wherein the first hydrophobic resin and the second hydrophobic resin are melted to form a channel wall composed of a first hydrophobic resin inside the porous substrate, and a protective layer composed of the second hydrophobic resin is formed to cover the channel.
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