【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロポンプ駆動装置に関し、詳しくは、動植物や微生物などのゲノムやタンパク質の解析等に利用されるマイクロ流体チップ上の泳動路に泳動液を送り出すマイクロポンプの駆動装置において、演算処理によらなくてもマイクロポンプが分析用途に対応した泳動液を所定の送り速度をもって所定の流量で吐出することができるような駆動波形を容易に発生させることができ、小型でかつ回路構成が簡単なマイクロポンプ駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、動植物や微生物などのゲノムやタンパク質の解析等に利用されるマイクロ流体プラットフォームシステムでは、ゲノムやタンパク質を含む泳動液をマイクロポンプを駆動してマイクロ流体チップの泳動路（キャピラリ）に送り出し、泳動された試料（サンプル）を分析あるいは解析するためにサンプル（例えば目的のＤＮＡバンド部分）を抽出することなどが行われている。
この場合のマイクロポンプの発生圧力は、数ｋＰａ〜十数ｋＰａ程度が必要とされ、０．２μｌ／ｓ〜０．５μｌ／ｓ程度の流量が必要になる。マイクロポンプは、ダイヤフラムが利用され、圧電素子で駆動される。動植物や微生物などのゲノムやタンパク質の解析等に対応するためにその駆動電圧は、ＤＣ１０Ｖ〜ＤＣ５０Ｖ程度の電圧が要求され、駆動周波数は、数Ｈｚ〜十数ｋＨｚの範囲で可変である必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
泳動液には粘度があるので、マイクロポンプは、流路の液圧変化速度に対する非線形抵抗を利用して泳動液の吐き出しと吸い込みを行う。そのため、ダイヤフラムポンプの場合には、泳動液を送り出す駆動波形が、例えば、前縁部で急速に立上がり、後縁部がゆっくりと落ちる傾斜部分を持つ非対称な矩形波となる。この駆動波形は、ダイヤフラムポンプの非線形特性と構造に合わせた波形となるので、サンプルを含む泳動液の特性に応じて流量と送り速度を調整することが必要になる。そのために駆動周波数と駆動電圧とが調整できるような駆動波形発生回路が必要になる。例えば、流量を増加させるてめに駆動電圧を高くすると、その分、矩形波の傾斜部の傾きを緩やかにしなければならなず、そのための演算処理等が必要になり、回路が複雑とならざるを得ない。
その結果、マイクロ流体チップとマイクロポンプが小さくできても、その駆動回路が大きくなり、装置全体が大型化する問題がある。
この発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、演算処理によらなくてもマイクロポンプが分析用途に対応した泳動液を所定の送り速度をもって所定の流量で吐出することができる駆動波形を容易に発生させることができ、小型でかつ回路構成が簡単なマイクロポンプ駆動装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するためのこの発明のマイクロポンプ駆動装置の特徴は、メモリにマイクロポンプの駆動波形を記憶して、アドレスカウンタによりメモリのアドレスを順次インクリメントしてアクセスして駆動波形のデータを読出し、読出されたデータをＤ／Ａ変換してアナログ電圧信号の駆動波形とし、これをゲイン調整回路を介してマイクロポンプに加え、駆動波形の読出を所定の周期で行うものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
【０００６】
ところで、動植物や微生物などのゲノムやタンパク質の解析等において、その対象を特定のものに限れば、駆動周波数と駆動電圧はある程度の範囲に限定できる。
そこで、この発明にあっては、メモリにマイクロポンプの解析対象に対応するような傾斜部を持つ駆動波形を記憶しておき、解析対象に対応した所定の周期で読出すことで、マイクロポンプから吐き出される泳動液を必要な流速で吐出することができ、ゲイン調整回路で駆動波形の出力電圧を調整することで必要な流量を得ることが容易にできる。
しかも、演算処理装置で演算した駆動波形のデータを外部からメモリに書込むようにすれば、演算処理装置側から切り離された独立の装置として利用することができる。
その結果、駆動波形の演算処理が不要となり、マイクロポンプが分析用途に対応した泳動液を所定の送り速度をもって所定の流量で吐出することができ、小型でかつ回路構成が簡単なマイクロポンプ駆動装置を実現することができる。
【０００７】
【実施例】
図１は、この発明のマイクロポンプ駆動装置を適用した一実施例のブロック図であり、図２は、その駆動波形の説明図、図３は、そのマイクロポンプの断面図である。
図１において、１０は、マイクロポンプ駆動装置であって、１は駆動波形発生回路、２はＤ／Ａ変換回路（Ｄ／Ａ）、３は、１５ｋＨｚ以下の信号を通過させる中・低域フィルタ、４はゲインコントロールアンプ、５はゲイン調整回路、６はパワーアンプ、７はマイクロポンプである。
駆動波形発生回路１は、クロック発生回路１１と、プログラマブル分周回路１２、ディップスイッチ１３、アドレスカウンタ１４、波形記憶メモリ１５、ワンショット回路１６、アンド回路１７、遅延回路１８、波形データ書込回路１９、そしてインターフェース２０とからなる。
【０００８】
クロック発生回路１１で発生するクロックＣＬＫの周波数は、ここでは、例えば、１．０ＭＨｚ〜３ＭＨｚ程度であり、このクロックＣＬＫがアンド回路１７を介して６ビットのアドレスカウンタ１４に加えられ、このクロックＣＬＫの周波数でそのアドレス値がインクリメントされていく。このアドレス値は、波形記憶メモリ１５の６ビットの下位アドレスＡ０〜Ａ５として波形記憶メモリ１５に加えられる。
波形記憶メモリ１５は、アドレス値が８ビット（Ａ０〜Ａ７）でデータ深さが４ビットのメモリであって、外部から書込み可能な不揮発性メモリとしてのＥＥＰＲＯＭで構成されている。その７ビット目（Ａ６）は、ディップスイッチ１３の０番のスイッチが割り当てられている。そして、８ビット目（Ａ７）、すなわち、最上位１ビット（ＭＳＢ）は、ゲイン調整回路５のコンパレータ５２からバッファアンプ５３を介して供給される。
ディップスイッチ１３は、０番〜１２番までの１３個のスイッチ回路で構成され、それぞれのスイッチＳＷ０〜ＳＷ１２は、一端が抵抗を介して電源ライン＋ＶＤＤ（５Ｖ）にプルアップされていて、他端が抵抗を介してグランドＧＮＤにプルダウンされ、この他端がさらにバッファアンプ１３ａを介して出力とされる。そこで、スイッチがＯＮ状態でＨＩＧＨレベル（以下“Ｈ”あるいは“１”）となり、ＯＦＦ状態でＬＯＷレベル（以下“Ｌ”あるいは“０”）を出力する。
【０００９】
波形記憶メモリ１５は、図２に示すような４つの駆動波形Ｆ，Ｒ，ＦＧ，ＲＧが４ビットのデジタル値で記憶されている。駆動電圧波形Ｆは、マイクロポンプ７が順方向に泳動液を吐き出す駆動波形であって、前縁部が急速に立上がり、後縁部がゆっくりと落ちる傾斜部分を持つ矩形波である。この波形を形成するデータがＡ（０）〜Ａ（６３）のアドレス領域にアナログ電圧レベルに対応するデジタル値として記憶されている。これは、“０”番地から標準流量を発生するための最大ＤＣ駆動電圧のデータ（“ＦＥ”ｈ）が記憶され、例えば、１９番地から以降に順次低下する傾斜する電圧に対応するデータが図示するように入っている。なお、後部の多数のアドレスにはデータ“０”が入っている。
Ｒは、マイクロポンプ７が逆方向に泳動液を吐き出す駆動電圧波形であり、前縁部がゆっくりと立上がる傾斜部分を持ち、後縁部が急速に立下がる矩形波となる。そのデータがＡ（６４）〜Ａ（１２７）のアドレス領域にそれぞれのアナログ電圧レベルに対応するデジタル値として記憶されている。これは、“０”番地から最大駆動電圧のデータが記憶され、例えば、８０番地から以降に順次上昇する傾斜電圧に対応するデータが図示するように入っていて、１０８番地以降に標準流量を発生するための最大ＤＣ駆動電圧のデータ（“ＦＥ”ｈ）が入っている。
これら波形は、動植物や微生物などのゲノムやタンパク質の解析等のうちのある対象を含む泳動液に対して標準流量をマイクロポンプ７から吐き出す場合の駆動波形である。
さらに、流量を大きく採る場合の波形としてアドレスＡ（１２８）〜Ａ（１９１）のアドレス領域には、出力電圧が高くなったときの順方向送りの駆動波形ＦＧがその立下がり傾斜部分の傾斜をさらに緩やかな波形を持つものが記憶されている。同様に、流量を大きく採る場合の波形として、アドレスＡ（１９２）〜Ａ（２５５）のアドレス領域には、出力電圧が高くなったときに逆方向送りの駆動波形ＲＧとして、その立上がり傾斜部分の傾斜がさらに緩やかな波形をもつものが記憶されている。
なお、大きな流量を発生するために、最大ＤＣ駆動電圧のデータは、“ＦＥ”ｈより大きい値の“ＦＦ”ｈ、すなわち、オール４ビット“１”が記憶されている。また、傾斜波形を形成するためのデータ数は、駆動波形ＦＧ，ＲＧの方が駆動波形Ｆ，Ｒよりもそれぞれに多くなっている。
また、駆動波形が記憶された領域の最後のアドレス数番地分には、図示するように、“０”のデータが記憶されている。
【００１０】
ディップスイッチ１３の１番〜１２番の出力は、プログラマブル分周回路１２に入力されて、この入力データ値に応じてクロックＣＬＫの周波数が分周される。この分周されたクロックＣＬＫは、プログラマブル分周回路１２からワンショット回路１６に入力される。ワンショット回路１６は、プログラマブル分周回路１２から分周された周波数のクロックＣＬを受けて、その立上がりで、６３×Ｔ（ただし、Ｔは、クロックＣＬＫの周期）のパルス幅のウインドパルスＷを発生する。このウインドパルスＷがアンド回路１７に加えられて、この間、クロックＣＬＫを通過させてクロックＣＬＫをアドレスカウンタ１４に供給する。
これにより、リセット後に波形記憶メモリ１５を６３アドレス分、アクセスすることができる。例えば、クロック発生回路１１のクロック周波数を１．５ＭＨｚとすると、１クロックがＴ＝０．６６μｓｅｃとなるので、パルス幅は、このウインドパルスＷの幅は、４１．６μｓｅｃである。
アドレスカウンタ１４は、そのカウント値がワンショット回路１６のウインドパルスＷの立ち上がりでリセットされ、“０”からカウントを開始する。
Ｄ／Ａ２は、波形記憶メモリ１５から読出された４ビットのデジタル値をアナログ値に変換するものであり、クロック発生回路１１からのクロックＣＬＫを遅延回路１８でタイミング調整して１．５ＭｋＨｚのクロックをＤ／Ａ変換のクロックとして受けて、波形記憶メモリ１５から読み出されたデータをアナログ値に変換する。
【００１１】
変換されたアナログ値は、抵抗ＲとコンデンサＣからなる、中・低域フィルタ３を介してゲインコントロールアンプ４に入力されて増幅される。ゲインコントロールアンプ４は、ゲイン調整回路５により、そのゲインが調整される。ゲイン調整回路５は、可変抵抗器５１とコンパレータ５２とバッファアンプ５３とからなり、コンパレータ５２の出力がバッファアンプ５３を介して波形記憶メモリ１５の最上位ビット（ＭＳＢ，Ａ７）として出力される。コンパレータ５２は、可変抵抗器５１の設定電圧が所定値以下になったときに、“Ｈ”（あるいは“１”）の電圧値を発生する。なお、可変抵抗器５１の設定電圧は、ゲインが高くなると、電圧値が小さくなるものであり、パワーアンプ６の出力電圧が１０Ｖ〜３０Ｖの範囲では、コンパレータ５２の出力が“Ｌ”（あるいは“０”）であり、出力電圧が３０Ｖを越えた時点でその出力が“Ｈ”（あるいは“１”）になる。
【００１２】
その結果、得られた電圧値に応じた電流値あるいは電圧値が設定されたゲインに応じて増幅されて、パワーアンプ６に入力されて、ゲイン調整値に応じて１０Ｖ〜５０Ｖの電圧波形をパワーアンプ６が発生する。この出力電圧信号がパワーアンプ６からマイクロポンプ７に加えられる。
なお、１０Ｖ〜３０Ｖの範囲では、コンパレータ５２の出力が“Ｌ”となるので、ＭＳＢが“０”であり、駆動電圧波形Ｆあるいは駆動電圧波形Ｒが読み出されるが、ゲイン調整回路５を調整して可変抵抗器５１の抵抗値が小さくなって、設定するゲインが大きくなると、ゲイン調整回路５の設定電圧がコンパレータ５１の出力“Ｈ”となり、波形記憶メモリ１５のＭＳＢビットを“１”にしてアドレスカウンタ１４によりアクセスされる領域をアドレスＡ（１２８）以上の領域に切り換える。
【００１３】
中・低域フィルタ３は、Ｄ／Ａ変換ノイズをカットするものであり、ここでは、駆動波形の最大周波数を１０ｋＨｚとし、Ｄ／Ａ変換の１．５ＭｋＨのクロックＣＬＫにより発生する変換アナログ信号のノイズを除去するものであって、１５ｋＨｚ以下を通過させる。
ここで、駆動電圧波形Ｆあるいは駆動電圧波形Ｒ、駆動電圧波形ＦＧあるいは駆動電圧波形ＲＧは、それぞれインターフェース２０を介して、外部、例えば、コンピュータから波形データと書込アドレスとを波形データ書込回路１９が受けて、この波形データ書込回路１９により書込まれる。
これらの駆動波形Ｆ，Ｒ，ＦＧ，ＲＧは、動植物や微生物などのゲノムやタンパク質の解析等において、解析対象に対応した駆動波形データが選択され、あらかみじ波形記憶メモリ１５に書込まれる。
【００１４】
次にその動作を説明すると、ゲイン調整回路５による調整によりパワーアンプ６の出力電圧が３０Ｖ以下の範囲では、波形記憶メモリ１５の８ビット目（Ａ７）が“０”となり、ディップスイッチ１３の０番をＯＦＦにすると、波形記憶メモリ１５の７ビット目（Ａ６）が“０”となるので、波形記憶メモリ１５のＡ（０）〜Ａ（６３）のアドレスがクロックＣＬＫに応じてアドレスカウンタ１４によりアクセスされる。これにより駆動電圧波形Ｆが読み出されて、これがＤ／Ａ２によりアナログ電圧値に変換されて、電圧調整され、パワーアンプ６を介してマイクロポンプ７を駆動する。その結果、マイクロポンプ７から順方向に泳動液が吐き出される。
ディップスイッチ１３の０番をＯＮにすると、波形記憶メモリ１５の７ビット目が“１”となり、波形記憶メモリ１５のＡ（６４）〜Ａ（１２７）がアドレスカウンタ１４によりアクセスされる。これにより、駆動電圧波形Ｒが発生して、これがＤ／Ａ２によりアナログ電圧値に変換されて、電圧調整され、パワーアンプ６を介してマイクロポンプ７を駆動する。その結果、マイクロポンプ７から逆方向に泳動液が吐き出される。
このとき、たとえ、クロックＣＬＫとプログラマブル分周回路１２の出力のタイミングがずれて、１乃至２クロック分ずれ、ワンショット回路１６のウインドパルスＷの発生タイミングとそのパルス幅が変動したとしても、波形記憶領域の間のアドレスの最後の数番地は、“０”のデータが入力されているので、タイミングずれによる問題は生じない。
なお、タイミングずれによりクロックＣＬＫが増加するような場合には、各領域の最初のアドレスに“０”のデータを入れることで対処できる。すなわち、ウインドパルスＷのパルス幅に６４個のクロックＣＬＫが含まれる場合には、最初のアドレスに“０”のデータを入れ、２個増加して６５個にクロックＣＬＫがなるようなときには最初の２番地分のアドレスに“０”のデータを入れるとよい。
【００１５】
ゲイン調整回路５の調整により出力電圧が３０Ｖを越えると、波形記憶メモリ１５のＭＳＢが“１”となって、アドレスＡ（１２８）〜Ａ（１９１）あるいはアドレスＡ（１２８）〜Ａ（１９１）がアクセスされて、流量が大となる、傾斜部分が緩やかなそれぞれの駆動波形データが読み出される。これが高いゲインで増幅されることで、その傾斜波形は、駆動電圧波形Ｆ，Ｒと実質的に同程度の傾斜波形となって、パワーアンプ６に加えられる。その結果、高い電圧波形の出力がマイクロポンプ７に加えられて、泳動液が大きな流量で吐出される。
ここで、プログラマブル分周回路１２の分周率は、ディップスイッチ１３の１番〜１２番の出力により、２分周から４０９６段階で設定でき、１．５ＭＨｚの周波数を５Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲で選択できる。そこで、ワンショット回路１６の出力を５Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲で調整することができる。これにより、流速を調整することができる。
なお、マイクロポンプ７を間欠的に駆動動作させる場合には、タイマ等を設けて、タイマ出力をアンドゲートに加え、このアンドゲートを介してクロック発生回路１１のクロックＣＬＫを特定の周期で間欠的に供給するようにすればよい。
【００１６】
図３は、マイクロポンプ７の断面図であり、７０は、マイクロチップのプレート７に設けられた泳動液７３が充填されているポンプ室である。圧電素子７１がダイヤフラム７２に接着され、圧電素子７１の長さＬが伸縮することで、ダイヤフラム７２が進退して泳動液７３を図面右側あるいは左側に吐出する。
７４，７５は、開口であって、開口７４のパスは短く、開口７５のパスは長い。ここで、開口７４は、流路抵抗がポンプ室７０の加圧速度の変化によって変化する非線形特性の開口である。すなわち、ポンプ室７０内の加圧速度の変化が速いときには、開口７５の流路抵抗よりも開口７４の流路抵抗が大きくなり、開口７４から流れ出す泳動液７３の流量は減少する。そのため開口７５側から泳動液７３が流れ出す。
一方、ポンプ室７０の加圧速度の変化がゆっくりとしているときには、開口７５の流路抵抗よりも開口７４の流路抵抗が小さくなる。その結果、開口７４から流れ出す流量は大きくなる。そのため開口７４側から泳動液７３が流れ出す。ポンプ室７０の減圧速度が急峻のときと、ゆっくりしたときも同様であり、減圧速度のときには、ポンプ室７０へ泳動液７３を吸い込むことになる。
そこで、電圧駆動波形を急峻に立上げると、開口７４から流出する流量が小さくなり、開口７５から泳動液７３が流れ出る。そして、電圧駆動波形をゆっくりと立下げると、開口７４から流入する流量が大きくなり、泳動液７３がポンプ室７０に供給される。その結果、矢印Ｂに示す方向に駆動電圧波形Ｆにより泳動液７３が送出される。一方、駆動電圧波形Ｒを加えると、前記の関係が逆になり、泳動液７３は、矢印Ａに示す方向に送り出され、その方向が逆転する。
【００１７】
以上説明してきたが、実施例では、波形記憶メモリ１５に、順方向吐き出しと逆方向吐き出しの波形データを記憶しているが、これらは、いずれか一方だけであってもよい。また、流量が標準（普通）の場合と、流量が大の場合の波形を記憶しているが、これらは、いずれか一方だけであってもよい。さらに、波形記憶メモリ１５の記憶容量を大きく採れば、さらに、吐出する流量に応じて適正な駆動波形を多数設け、それぞれ選択するることができる。
実施例では、波形記憶メモリ１５に記憶する駆動波形のデータ数が一部“０”データを含む６４個を単位とした例を挙げているが、これは、一例であって、データ数を多くしても少なくしてもよいことはもちろんであり、Ｄ／Ａ変換回路の変換ビット数も４ビットに限定されるものではない。
また、実施例では、液圧変化速度に対して流路抵抗が非線形となる開口を有し、圧電素子により駆動されるダイヤフラム型のマイクロポンプを例に挙げているが、駆動するマイクロポンプの特性に応じた波形を波形記憶メモリ１５に記憶すれば、各種の形態のマイクロポンプを駆動できることはもちろんであって、この発明は、実施例のマイクロポンプに限定されるものではない。したがって、この発明のマイクロポンプ駆動装置は、マイクロポンプの特性に応じた波形を外部から書込めば、同じ回路構成で各種のマイクロポンプを駆動することができ、汎用性の高い駆動装置を実現できる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明してように、この発明にあっては、メモリにマイクロポンプの解析対象に対応するような傾斜部を持つ駆動波形を記憶しておき、解析対象に対応した所定の周期で読出すことで、マイクロポンプから吐き出される泳動液を必要な流速で吐出することができ、ゲイン調整回路で駆動波形の出力電圧を調整することで必要な流量を得ることが容易にできる。
その結果、駆動波形の演算処理が不要となり、マイクロポンプが分析用途に対応した泳動液を所定の送り速度をもって所定の流量で吐出することができ、小型でかつ回路構成が簡単なマイクロポンプ駆動装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明のマイクロポンプ駆動装置を適用した一実施例のブロック図である。
【図２】図２は、その駆動波形の説明図である。
【図３】図３は、そのマイクロポンプの断面図である。
【符号の説明】
１…駆動波形発生回路、
２…Ｄ／Ａ変換回路（Ｄ／Ａ）、
３…中・低域フィルタ、
４…ゲインコントロールアンプ、
５…ゲイン調整回路、
６…パワーアンプ、７…マイクロポンプ、
１０…マイクロポンプ駆動装置、
１１…クロック発生回路、１２…プログラマブル分周回路、
１３…ディップスイッチ、１４…アドレスカウンタ、
１５…波形記憶メモリ、１６…ワンショット回路、
１７…アンド回路、１８…遅延回路、
１９…波形データ書込回路、２０…インターフェース。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a micropump driving device, and more particularly, to a micropump driving device that sends out an electrophoresis running solution to a migration path on a microfluidic chip used for analysis of genomes and proteins of animals, plants, microorganisms, and the like. The drive waveform can be easily generated so that the micropump can discharge the electrophoresis running liquid corresponding to the analysis application at a predetermined flow rate at a predetermined flow rate without any need, and it is small and has a simple circuit configuration. The present invention relates to a micropump driving device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a microfluidic platform system used for analysis of genomes and proteins of animals, plants, microorganisms, and the like, an electrophoresis solution containing genomes and proteins is driven by a micropump and sent to an electrophoresis path (capillary) of a microfluidic chip. Extraction of a sample (for example, a target DNA band portion) in order to analyze the analyzed sample (sample) or analysis is performed.
In this case, the pressure generated by the micropump needs to be about several kPa to several tens of kPa, and a flow rate of about 0.2 μl / s to 0.5 μl / s is required. The micropump is driven by a piezoelectric element using a diaphragm. In order to cope with the analysis of genomes and proteins of animals and plants, microorganisms, and the like, the driving voltage is required to be about DC 10 V to DC 50 V, and the driving frequency needs to be variable in the range of several Hz to several tens of kHz. .
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Since the electrophoresis liquid has a viscosity, the micropump performs discharge and suction of the electrophoresis liquid by using a non-linear resistance to a liquid pressure change rate of the flow path. Therefore, in the case of the diaphragm pump, the drive waveform for sending out the electrophoresis running liquid is, for example, an asymmetric rectangular wave having an inclined portion where the leading edge rapidly rises and the trailing edge slowly falls. Since this drive waveform is a waveform that matches the nonlinear characteristics and structure of the diaphragm pump, it is necessary to adjust the flow rate and the feed rate according to the characteristics of the electrophoresis running solution containing the sample. Therefore, a driving waveform generating circuit that can adjust the driving frequency and the driving voltage is required. For example, if the drive voltage is increased to increase the flow rate, the slope of the slope of the rectangular wave must be moderated accordingly, which requires arithmetic processing and the like, and the circuit becomes complicated. Not get.
As a result, even if the microfluidic chip and the micropump can be made smaller, there is a problem that the drive circuit becomes larger and the whole device becomes larger.
An object of the present invention is to solve such a problem of the prior art, and a micro pump discharges an electrophoresis running liquid corresponding to an analysis application at a predetermined flow rate at a predetermined flow rate without using an arithmetic process. It is an object of the present invention to provide a micropump driving device that can easily generate a driving waveform that can be generated, and is small in size and simple in circuit configuration.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
A feature of the micropump driving apparatus of the present invention for achieving the above object is that the driving waveform of the micropump is stored in the memory, and the address of the memory is sequentially incremented and accessed by the address counter to access the data of the driving waveform. Is read out, and the read data is D / A converted into a drive waveform of an analog voltage signal, which is applied to a micropump via a gain adjustment circuit, and the drive waveform is read out at a predetermined cycle.
[0005]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0006]
By the way, in the analysis of genomes and proteins of animals and plants, microorganisms, and the like, if the target is limited to a specific target, the driving frequency and the driving voltage can be limited to a certain range.
Therefore, in the present invention, a drive waveform having an inclined portion corresponding to the analysis target of the micropump is stored in the memory, and read at a predetermined cycle corresponding to the analysis target, so that the micropump can be read from the micropump. The discharged electrophoretic liquid can be discharged at a required flow rate, and the required flow rate can be easily obtained by adjusting the output voltage of the drive waveform by the gain adjustment circuit.
In addition, if the drive waveform data calculated by the arithmetic processing unit is externally written to the memory, it can be used as an independent device separated from the arithmetic processing unit.
As a result, the operation processing of the drive waveform becomes unnecessary, and the micropump can discharge the electrophoresis running liquid corresponding to the analysis application at a predetermined flow rate at a predetermined flow rate. Can be realized.
[0007]
【Example】
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment to which a micropump driving device according to the present invention is applied, FIG. 2 is an explanatory diagram of a driving waveform thereof, and FIG. 3 is a sectional view of the micropump.
In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a micropump driving device, 1 denotes a driving waveform generation circuit, 2 denotes a D / A conversion circuit (D / A), and 3 denotes a middle / low-pass filter that passes a signal of 15 kHz or less. Reference numeral 4 denotes a gain control amplifier, 5 denotes a gain adjustment circuit, 6 denotes a power amplifier, and 7 denotes a micro pump.
The drive waveform generating circuit 1 includes a clock generating circuit 11, a programmable frequency dividing circuit 12, a dip switch 13, an address counter 14, a waveform storage memory 15, a one-shot circuit 16, an AND circuit 17, a delay circuit 18, a waveform data writing circuit. 19, and an interface 20.
[0008]
Here, the frequency of the clock CLK generated by the clock generation circuit 11 is, for example, about 1.0 MHz to 3 MHz, and this clock CLK is applied to a 6-bit address counter 14 via an AND circuit 17. The address value is incremented at the frequency of. This address value is added to the waveform storage memory 15 as 6-bit lower addresses A0 to A5 of the waveform storage memory 15.
The waveform storage memory 15 is a memory having an address value of 8 bits (A0 to A7) and a data depth of 4 bits, and is constituted by an EEPROM as an externally writable nonvolatile memory. The seventh bit (A6) is assigned to the 0th switch of the DIP switch 13. The eighth bit (A7), that is, the most significant bit (MSB) is supplied from the comparator 52 of the gain adjustment circuit 5 via the buffer amplifier 53.
The dip switch 13 is composed of thirteen switch circuits from No. 0 to No. 12, and each of the switches SW0 to SW12 has one end pulled up to a power supply line + VDD (5V) via a resistor, and the other end. Is pulled down to ground GND via a resistor, and the other end is further output via a buffer amplifier 13a. Therefore, the switch outputs a HIGH level (hereinafter "H" or "1") when the switch is ON, and outputs a LOW level (hereinafter "L" or "0") when the switch is OFF.
[0009]
The waveform storage memory 15 stores four drive waveforms F, R, FG, and RG as shown in FIG. 2 as 4-bit digital values. The drive voltage waveform F is a drive waveform in which the micropump 7 discharges the electrophoretic liquid in the forward direction, and is a rectangular wave having an inclined portion in which the leading edge rises rapidly and the trailing edge slowly falls. Data forming this waveform is stored as digital values corresponding to analog voltage levels in address areas A (0) to A (63). This is because the maximum DC drive voltage data (“FE” h) for generating the standard flow rate from the address “0” is stored. For example, the data corresponding to the sloping voltage gradually decreasing from the address 19 onward is shown. I'm into it. Note that data "0" is stored in a number of addresses at the rear.
R is a drive voltage waveform in which the micropump 7 discharges the electrophoresis running liquid in the reverse direction, and is a rectangular wave having a gradually rising slope at the front edge and falling rapidly at the rear edge. The data is stored as digital values corresponding to the respective analog voltage levels in the address areas A (64) to A (127). This is because the data of the maximum drive voltage is stored from the address "0", and for example, the data corresponding to the ramp voltage that sequentially increases from the address 80 is included as shown in the figure, and the standard flow rate is generated at the address 108 and thereafter. The data (“FE” h) of the maximum DC drive voltage for performing the operation.
These waveforms are driving waveforms when a standard flow rate is discharged from the micropump 7 for an electrophoresis running solution including a certain target, such as analysis of genomes and proteins of animals and plants and microorganisms.
Further, in the address area of addresses A (128) to A (191) as a waveform when a large flow rate is adopted, the forward drive waveform FG when the output voltage becomes high indicates the slope of the falling slope. Those having a gentler waveform are stored. Similarly, as a waveform when the flow rate is large, the address area of addresses A (192) to A (255) is a drive waveform RG of reverse feed when the output voltage becomes high, and the rising slope portion thereof is Those having a waveform with a gentler slope are stored.
In order to generate a large flow rate, the data of the maximum DC drive voltage stores “FF” h having a value larger than “FE” h, that is, all four bits “1”. In addition, the number of data for forming the gradient waveform is larger in the drive waveforms FG and RG than in the drive waveforms F and R, respectively.
As shown in the figure, data "0" is stored in the last several addresses of the area where the drive waveform is stored.
[0010]
The first to twelfth outputs of the dip switch 13 are input to the programmable frequency divider 12, and the frequency of the clock CLK is divided according to the input data value. The frequency-divided clock CLK is input from the programmable frequency dividing circuit 12 to the one-shot circuit 16. The one-shot circuit 16 receives the clock CL having the frequency divided from the programmable frequency dividing circuit 12, and generates a window pulse W having a pulse width of 63 × T (where T is the cycle of the clock CLK) at the rising edge. appear. This window pulse W is applied to the AND circuit 17, during which the clock CLK is passed and the clock CLK is supplied to the address counter 14.
Thereby, the waveform storage memory 15 can be accessed for 63 addresses after reset. For example, if the clock frequency of the clock generation circuit 11 is 1.5 MHz, one clock becomes T = 0.66 μsec. Therefore, the pulse width of the window pulse W is 41.6 μsec.
The count value of the address counter 14 is reset at the rise of the window pulse W of the one-shot circuit 16, and starts counting from "0".
The D / A 2 converts a 4-bit digital value read from the waveform storage memory 15 into an analog value. The D / A 2 adjusts the timing of the clock CLK from the clock generation circuit 11 by the delay circuit 18 to generate a 1.5 MkHz clock. As a clock for D / A conversion, and converts the data read from the waveform storage memory 15 into an analog value.
[0011]
The converted analog value is input to a gain control amplifier 4 via a middle / low-pass filter 3 including a resistor R and a capacitor C and amplified. The gain of the gain control amplifier 4 is adjusted by a gain adjustment circuit 5. The gain adjustment circuit 5 includes a variable resistor 51, a comparator 52, and a buffer amplifier 53. The output of the comparator 52 is output as the most significant bit (MSB, A7) of the waveform storage memory 15 via the buffer amplifier 53. The comparator 52 generates a voltage value of “H” (or “1”) when the set voltage of the variable resistor 51 becomes equal to or less than a predetermined value. Note that the voltage value of the variable resistor 51 decreases as the gain increases, and when the output voltage of the power amplifier 6 is in the range of 10 V to 30 V, the output of the comparator 52 becomes “L” (or “ 0 "), and the output becomes" H "(or" 1 ") when the output voltage exceeds 30V.
[0012]
As a result, the current value or the voltage value corresponding to the obtained voltage value is amplified according to the set gain, and is amplified and input to the power amplifier 6, and the voltage waveform of 10V to 50V is changed according to the gain adjustment value. The amplifier 6 is generated. This output voltage signal is applied from the power amplifier 6 to the micro pump 7.
In the range of 10 V to 30 V, the output of the comparator 52 is “L”, so that the MSB is “0” and the drive voltage waveform F or the drive voltage waveform R is read. When the resistance value of the variable resistor 51 decreases and the gain to be set increases, the set voltage of the gain adjustment circuit 5 becomes the output “H” of the comparator 51 and the MSB bit of the waveform storage memory 15 is set to “1”. The area accessed by the address counter 14 is switched to an area of address A (128) or higher.
[0013]
The middle / low-pass filter 3 cuts the D / A conversion noise. Here, the maximum frequency of the drive waveform is set to 10 kHz, and the converted analog signal generated by the clock CLK of 1.5 MkH of the D / A conversion is used. This is for removing noise, and passes 15 kHz or less.
Here, the drive voltage waveform F or the drive voltage waveform R, the drive voltage waveform FG or the drive voltage waveform RG are respectively connected to the waveform data writing circuit from the outside, for example, a computer via the interface 20 by a waveform data writing circuit. 19, and is written by the waveform data writing circuit 19.
For the drive waveforms F, R, FG, and RG, drive waveform data corresponding to an analysis target is selected in the analysis of genomes and proteins of animals, plants, microorganisms, and the like, and is written into the waveform storage memory 15.
[0014]
Next, the operation will be described. When the output voltage of the power amplifier 6 is in the range of 30 V or less by adjustment by the gain adjustment circuit 5, the eighth bit (A7) of the waveform storage memory 15 becomes "0", When the number is turned OFF, the seventh bit (A6) of the waveform storage memory 15 becomes "0", so that the addresses of A (0) to A (63) of the waveform storage memory 15 are changed according to the clock CLK. Accessed by As a result, the drive voltage waveform F is read out, converted into an analog voltage value by the D / A 2, adjusted in voltage, and drives the micro pump 7 via the power amplifier 6. As a result, the electrophoresis running liquid is discharged from the micro pump 7 in the forward direction.
When the No. 0 of the dip switch 13 is turned ON, the seventh bit of the waveform storage memory 15 becomes “1”, and A (64) to A (127) of the waveform storage memory 15 are accessed by the address counter 14. As a result, a drive voltage waveform R is generated, which is converted into an analog voltage value by the D / A 2, the voltage is adjusted, and the micro pump 7 is driven via the power amplifier 6. As a result, the electrophoresis running liquid is discharged from the micro pump 7 in the reverse direction.
At this time, even if the timing of the clock CLK and the output of the programmable frequency dividing circuit 12 are shifted, the timing is shifted by one or two clocks, and even if the generation timing and the pulse width of the window pulse W of the one-shot circuit 16 fluctuate, At the last few addresses of the addresses between the storage areas, since data of "0" is input, no problem occurs due to the timing shift.
In the case where the clock CLK increases due to a timing deviation, it can be dealt with by putting data “0” into the first address of each area. That is, when 64 clocks CLK are included in the pulse width of the window pulse W, data of "0" is put in the first address, and when the clock CLK is increased by 2 and 65 clocks are included, the first address is used. It is preferable to put "0" data in addresses of two addresses.
[0015]
When the output voltage exceeds 30 V by the adjustment of the gain adjustment circuit 5, the MSB of the waveform storage memory 15 becomes "1", and the addresses A (128) to A (191) or the addresses A (128) to A (191). Are accessed, and the respective drive waveform data in which the flow rate is large and the slope portion is gentle are read out. When this is amplified with a high gain, the gradient waveform becomes substantially the same as the drive voltage waveforms F and R, and is applied to the power amplifier 6. As a result, an output having a high voltage waveform is applied to the micropump 7, and the electrophoresis running liquid is discharged at a large flow rate.
Here, the frequency division ratio of the programmable frequency divider circuit 12 can be set in 4096 steps from the frequency division of 2 by the output of the DIP switches 13 to 12, and the frequency of 1.5 MHz is selected in the range of 5 Hz to 10 kHz. it can. Therefore, the output of the one-shot circuit 16 can be adjusted in the range of 5 Hz to 10 kHz. Thereby, the flow velocity can be adjusted.
When the micropump 7 is driven intermittently, a timer or the like is provided, a timer output is applied to an AND gate, and the clock CLK of the clock generation circuit 11 is intermittently transmitted at a specific cycle via the AND gate. What is necessary is just to supply it to.
[0016]
FIG. 3 is a cross-sectional view of the micropump 7, and reference numeral 70 denotes a pump chamber provided on the microchip plate 7 and filled with the electrophoresis liquid 73. The piezoelectric element 71 is adhered to the diaphragm 72, and the length L of the piezoelectric element 71 expands and contracts, so that the diaphragm 72 advances and discharges the electrophoretic liquid 73 to the right or left side in the drawing.
Reference numerals 74 and 75 denote openings. The path of the opening 74 is short, and the path of the opening 75 is long. Here, the opening 74 is an opening having non-linear characteristics in which the flow path resistance changes according to a change in the pressurizing speed of the pump chamber 70. That is, when the change in the pressurizing speed in the pump chamber 70 is fast, the flow path resistance of the opening 74 becomes larger than the flow path resistance of the opening 75, and the flow rate of the electrophoresis liquid 73 flowing out of the opening 74 decreases. Therefore, the electrophoresis running liquid 73 flows out from the opening 75 side.
On the other hand, when the pressure change rate of the pump chamber 70 changes slowly, the flow path resistance of the opening 74 becomes smaller than the flow path resistance of the opening 75. As a result, the flow rate flowing out of the opening 74 increases. Therefore, the electrophoresis running liquid 73 flows out from the opening 74 side. The same applies when the depressurizing speed of the pump chamber 70 is steep and when it is slow. When the depressurizing speed is high, the electrophoresis liquid 73 is sucked into the pump chamber 70.
Therefore, when the voltage drive waveform rises steeply, the flow rate flowing out of the opening 74 decreases, and the electrophoresis liquid 73 flows out of the opening 75. Then, when the voltage drive waveform is slowly lowered, the flow rate flowing from the opening 74 is increased, and the electrophoresis liquid 73 is supplied to the pump chamber 70. As a result, the electrophoresis running liquid 73 is sent out in the direction indicated by the arrow B with the driving voltage waveform F. On the other hand, when the drive voltage waveform R is applied, the above relationship is reversed, and the electrophoresis running liquid 73 is sent out in the direction shown by the arrow A, and the direction is reversed.
[0017]
As described above, in the embodiment, the waveform data of the forward discharge and the backward discharge are stored in the waveform storage memory 15, but only one of them may be stored. Further, the waveforms when the flow rate is standard (normal) and when the flow rate is large are stored, but only one of them may be stored. Furthermore, if the storage capacity of the waveform storage memory 15 is increased, a number of appropriate drive waveforms can be further provided and selected according to the flow rate to be discharged.
In the embodiment, an example is given in which the number of data of the drive waveform stored in the waveform storage memory 15 is 64 units including a part of “0” data. However, this is an example, and the number of data is large. Needless to say, the number of conversion bits of the D / A conversion circuit is not limited to 4 bits.
Further, in the embodiment, the diaphragm type micro pump having an opening whose flow path resistance is non-linear with respect to the fluid pressure change speed and driven by a piezoelectric element is taken as an example. Is stored in the waveform storage memory 15, it is possible to drive various types of micropumps, and the present invention is not limited to the micropumps of the embodiments. Therefore, the micropump driving device of the present invention can drive various micropumps with the same circuit configuration by writing a waveform corresponding to the characteristics of the micropump from the outside, and can realize a driving device with high versatility. .
[0018]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the drive waveform having the inclined portion corresponding to the analysis target of the micropump is stored in the memory, and read at a predetermined cycle corresponding to the analysis target. Thus, the electrophoresis running fluid discharged from the micropump can be discharged at a required flow rate, and the required flow rate can be easily obtained by adjusting the output voltage of the drive waveform by the gain adjustment circuit.
As a result, the operation processing of the drive waveform becomes unnecessary, and the micropump can discharge the electrophoresis running liquid corresponding to the analysis application at a predetermined flow rate at a predetermined flow rate. Can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment to which a micropump driving device according to the present invention is applied.
FIG. 2 is an explanatory diagram of the driving waveform.
FIG. 3 is a sectional view of the micropump.
[Explanation of symbols]
1 .... Drive waveform generation circuit
2 ... D / A conversion circuit (D / A),
3: Middle / low-pass filter
4: Gain control amplifier,
5 ... gain adjustment circuit,
6 Power amplifier, 7 Micro pump,
10. Micropump drive,
11: clock generation circuit, 12: programmable frequency divider circuit,
13: Dip switch, 14: Address counter,
15: waveform storage memory, 16: one-shot circuit,
17 ... AND circuit, 18 ... delay circuit,
19: waveform data writing circuit, 20: interface.
