JP2005171824A - マイクロポンプ・ミキサ一体化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体の送液及び混合を短時間で適正に行うこと。
【解決手段】 各マイクロポンプ部１０ａ，１０ｂの液体に当該液体を搬送する振動が伝播され、混合エリア部９の液体に当該液体を、前記搬送を妨げないように攪拌する振動が伝播されるように、各圧電素子１１ａ，１１ｂ，１２に印加される電圧の位相を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板上に形成された微小な流路を用いて、微小容量の液体の混合・反応・分離・精製・抽出・分析などを行うためのマイクロポンプとマイクロミキサとの双方の機能を備えたマイクロポンプ・ミキサ一体化装置に関する。

近年、マイクロマシニング技術を用いてシリコンやガラス、プラスチックなどの基板上に微小流路（マイクロチャンネル）を形成し、この流路に蓋をすることによって形成される微小空間を、各種液体の混合・反応・分離・精製・抽出・分析などの場に利用する試みが注目されている。
これらの分野に供されるデバイスや装置は、その使用目的に応じて、マイクロポンプ、マイクロミキサ、マイクロリアクタ、μＴＡＳ（マイクロトータルアナリシスシステム）等と呼ばれている。

このようなマイクロポンプ及びマイクロミキサにおいては、通常、反応流路の等価直径（流路の断面を円に換算したときの直径）が５００μｍよりも小さいものが微小流路とされている。このように、流路のスケールが微小化してくると、単位体積当たりの表面積が非常に大きくなるという特徴が得られる。
この特長によって、温度、圧力、濃度などの勾配が大きくなるため、熱伝導、物質移動拡散などの効率が向上し、反応系での反応時間の短縮、反応速度の向上等の利点が得られることになる。更に、微小反応で適量合成が可能であり、高い再現性も得られるので、薬品や触媒試薬類などの使用量を大幅に低減することができ、経済的にも有効である。

このようなマイクロポンプ及びマイクロミキサの構造に関する従来技術として、次のような各種の構造が提案されている。
まず、図７（ａ）及び（ｂ）に示すような、Ｙ型と呼ばれるマイクロミキサが知られている。
図７は、Ｙ型マイクロミキサの構成部材を示し、（ａ）は蓋板、（ｂ）は基板の平面図である。図８は、図７（ａ）及び（ｂ）に示す蓋板と基板の接合後のマイクロミキサを、（ｂ）に示すＣ１−Ｃ２矢示線に沿って切断した際の断面図である。

このマイクロミキサは、蓋板１と基板２より構成されており、図７（ｂ）に示すように、基板２に双方でＹ字状となる微小流路６及び混合流路７が形成されている。また、図７（ａ）に示すように、蓋板１には、微小流路６の先端部に連結する位置に、各種の溶液、薬品、試薬等を微小流路６に供給するための供給口３，４が設けられ、更に、混合流路７の先端部に連結する位置には、混合又は反応した流体を取り出すための流出口５が形成されている。

そして、図８に示すように、蓋板１と基板２が接合され、供給口３，４から供給された各種液体は、混合流路７で混合され、流出口５から外部に取り出すことができるように、微小流路６及び混合流路７による連続流路が形成されている。
上記のような、等価直径が５００μｍ以下の微小流路内では、レイノルズ数が１０〜数１００程度と極めて小さいため、流れは層流状態である。よって、上記のようなＹ型マイクロミキサにおいては、２つの供給口３，４から供給された液体は、微小流路では２層の流れとなり、その２層の混合は拡散に支配されるため、完全に混合するにはある一定の時間を必要とする。

そこで、その混合時間を短縮するため、２層の流れを平面上で多数に分割して、多数の層流を作ることにより接触面積を増やす方法、また、圧電素子駆動などの外力を利用して、混合を促進する方法などが、提案されている。
図９の平面図及び図１０の断面図は、上記基板２の合流部を拡張することによって混合エリア部９を設けた基板８によるマイクロミキサの構成を示す図である。
このようなマイクロミキサにおいては、混合エリア部９に対して、図示せぬ圧電素子などによる外力を加えることにより、混合の促進を図っている。この圧電素子などによる外力を利用する方法は、マイクロポンプとしての用途への利用も提案されている。

また、この他の方法として、電界などの非機械的な力を利用する方法についても、マイクロポンプ・マイクロミキサの両方への利用が、多種提案されている。更に、これらの各種方法に弁を組み合わせることによって、圧力損失を低減させる方法も多く提案されている。
この種の従来の装置として、例えば特許文献１及び非特許文献１に記載のものがある。
特開平１０−３３７１７３号公報 Ｅｒｂａｃｈｅｒ，Ｃ．；Ｂｅｓｓｏｔｈ，Ｆ．Ｇ．;Ｂｕｓｃｈ，Ｍ．；Ｖｅｒｐｏｏｒｔｅ，Ｅ．；Ｍａｎｚ，Ａ．Ｍｉｋｒｏｃｈｉｍ Ａｃｔａ １９９９，１３３，１９．

しかし、従来のマイクロポンプ及びマイクロミキサにおいては、何れも送液及び混合を効率化することが要求されるが、電界などの非機械的な力を利用する方法、圧電素子駆動などの機械的な力を利用する方法の何れにおいても、送液及び混合ともに長時間を要するという問題がある。
また、弁を組み合わせると、送液及び混合の効率は向上するが、試薬付着による弁閉塞などにより、弁が適正に動作しなくなって送液及び混合が適正に実施されなくなるという問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、液体の送液及び混合を短時間で適正に行うことができるマイクロポンプ・ミキサ一体化装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１によるマイクロポンプ・ミキサ一体化装置は、液体を供給する貫通穴による１乃至は複数の供給口及び液体が流出する貫通穴による１乃至は複数の流出口が形成された蓋板と、前記供給口から供給されて流れる液体を、途中で混合したのち前記流出口から流出するための流路となる溝が形成された基板とを有し、前記基板上に前記溝を覆って前記流路が形成されるように前記蓋板を貼り合わせてチップを構成し、このチップに、前記流路に流れる液体に振動を伝えるための圧電素子を複数固定して成るマイクロポンプ・ミキサ一体化装置において、前記複数の圧電素子を振動させるために当該圧電素子に個別に印加される電圧の位相を制御する第１の制御手段を備え、前記第１の制御手段によって、前記流路の任意部分の液体に当該液体を搬送する第１の振動と、前記任意部分から離れた部分の液体に当該液体を前記搬送を妨げないように攪拌する第２の振動とが、前記複数の圧電素子から液体に伝わるように、前記電圧の位相を制御することを特徴としている。

この構成によれば、流路のある部分の液体に第１の振動が伝わることによって、当該流路に流れる液体の送液量が増加するので、液体の送液を短時間で行うことができる。また、流路の他の部分の液体に第２の振動が伝わることによって、液体が攪拌されて混合割合が高まるので、液体の混合を適正に行うことができる。
また、本発明の請求項２によるマイクロポンプ・ミキサ一体化装置は、請求項１において、前記第１の制御手段は、前記第２の振動に液体を搬送する振動成分が付加されるように前記電圧の位相を制御することを特徴としている。

この構成によれば、液体の送液量が更に増加するので、液体の送液を、より短時間で行うことができる。
また、本発明の請求項３によるマイクロポンプ・ミキサ一体化装置は、請求項１または２において、前記複数の圧電素子を駆動するために当該圧電素子に個別に印加される電圧のレベルを制御する第２の制御手段を更に備え、前記第２の制御手段によって、前記第１の振動による液体の搬送量と、前記第２の振動による液体の攪拌量とが増加するように、前記電圧のレベルを制御することを特徴としている。

この構成によれば、電圧の位相制御によって液体の送液及び混合が短時間で適正に行われていた状態において、電圧のレベル制御によって、更に液体の送液量が増加し、且つ攪拌量が増加して混合割合が高まるので、送液及び混合が、より短時間で適正に行われる。
また、本発明の請求項４によるマイクロポンプ・ミキサ一体化装置は、請求項１から３の何れか１項において、前記圧電素子の振動が、前記液体の送液量及び混合割合に影響を及ぼすように伝わる前記溝の位置に、当該溝を部分的に拡張した凹領域を少なくとも独立して２つ形成したことを特徴としている。

この構成によれば、凹領域は、流路状の溝幅よりも広く、又は広く深いので、当該凹領域においては、より多くの液体が一時的に滞留することになり、これによって混合効果が高まる。また、当該凹領域においては、より多くの液体に圧電素子からの振動を伝えることができるので、一方の凹領域に、液体を送液するためのポンプ部として機能するように圧電素子から振動を伝えれば、送液量をより増加させることができる。また、他方の凹領域に、液体を混合するための混合部として機能するように圧電素子から振動を伝えれば、混合割合をより高くすることができる。

以上説明したように本発明によれば、液体の送液及び混合を短時間で適正に行うことができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロポンプ・ミキサ一体化装置のチップ部分の基板の構成を示す平面図、図２は、そのチップ部分の断面図である。
但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を省略する。
図１及び図２に示すマイクロポンプ・ミキサ一体化装置は、既に説明済みの図９及び図１０に示したマイクロミキサの各微小流路６の途中に、概略円形状のマイクロポンプ部１０ａ，１０ｂを形成した構成の基板１５を備え、それらのマイクロポンプ部１０ａ，１０ｂの上方の蓋板１の上に、ポンプ機能用の圧電素子１１ａ，１１ｂを搭載すると共に、混合エリア部９の上方の蓋板１上に、ミキサ機能用の圧電素子１２を搭載して構成されている。

更に、同マイクロポンプ・ミキサ一体化装置は、図３に示すように、各圧電素子１１ａ，１１ｂ，１２を駆動（振動）する駆動電圧制御部２１を備えており、駆動電圧制御部２１は、電圧発生部２２と、位相制御部２３と、可変利得型の増幅器２４，２５，２６と、利得制御部２７とを備えて構成されている。
電圧発生部２２は、正弦波の電圧信号を発生する。位相制御部２３は、その発生された正弦波の電圧信号を全ての圧電素子１１ａ，１１ｂ，１２の数だけ分岐し、この分岐された各電圧信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の位相を、個別に可変制御する。

増幅器２４〜２６は、利得制御部２７の利得制御に応じて変化する増幅利得に応じて各電圧信号Ｖ１〜Ｖ３を増幅し、これら増幅された電圧信号Ｖ１ａ〜Ｖ３ａを、該当圧電素子１１ａ，１１ｂ，１２に印加する。この電圧印加によって、各圧電素子１１ａ，１１ｂ，１２が駆動するようになされている。
図４に、各圧電素子１１ａ，１１ｂ，１２を駆動する電圧信号Ｖ１ａ〜Ｖ３ａの波形の一例を示す。これらの電圧信号Ｖ１ａ〜Ｖ３ａの位相は、位相制御部２３によって制御されるようになっているが、この制御される位相は、供給口３，４から供給される液体が、極力短時間で適正に送液及び混合されて流出口５から流出されるように定められる。

これに加え、各電圧信号Ｖ１ａ〜Ｖ３ａの振幅（電圧レベル）ＶＬ１，ＶＬ２，ＶＬ３（図４参照）が、液体が更に短時間で適正に送液及び混合されて流出口５から流出されるように定められる。
各電圧信号Ｖ１ａ〜Ｖ３ａの位相及び振幅を定める場合、例えば次のように行う。
まず、各マイクロポンプ部１０ａ，１０ｂにおいては、液体の単位時間当たりの送液量が、圧電素子１１ａ，１１ｂとの連携によるマイクロポンプ部１０ａ，１０ｂが有する送液能力の最大値又は最大値に極力近づくように、圧電素子１１ａ，１１ｂへの印加電圧信号Ｖ１ａ，Ｖ２ａの位相及び振幅を調整する。

次に、混合エリア部９においては、液体の混合割合が、圧電素子１２との連携による混合エリア部９が有する液体の攪拌による混合能力の最大値又は最大値に極力近づき、尚且つマイクロポンプ部１０ａ，１０ｂで得られた送液量を更に増加又は、少なくともマイクロポンプ部１０ａ，１０ｂでの送液量の増加状態を妨げないように、圧電素子１２への印加電圧信号Ｖ３ａの位相及び振幅を調整する。
これらの調整を行いながら、供給口３，４から流出口５までの液体の送液時間及び混合割合を測定し、最終的には、その測定によって得られる結果の内、供給口３，４から流出口５までの液体の送液時間が最短で且つ混合割合が最高となるように、位相制御及び利得制御を行うことによって、各電圧信号Ｖ１ａ〜Ｖ３ａの位相及び振幅を定める。

このように位相及び振幅を定めることによって、供給口３，４から供給された液体が、各マイクロポンプ部１０ａ，１０ｂにおいて、当該マイクロポンプ部１０ａ，１０ｂの送液能力の最大値又は最大値に極力近い状態で送液され、この送液された液体が更に混合エリア部９において当該混合エリア部９の混合能力の最大値又は最大値に極力近い状態で攪拌されて混合されると共に、マイクロポンプ部１０ａ，１０ｂで得られた送液量が更に増加されるか、少なくとも送液量が妨げられないように、流出口５へ向かって流出口５から流出される。

このような実施の形態のマイクロポンプ・ミキサ一体化装置によれば、位相制御部２３によって、各マイクロポンプ部１０ａ，１０ｂの液体に当該液体を搬送する振動が伝播され、混合エリア部９の液体に当該液体を、前記搬送を妨げないように攪拌する振動が伝播されるように、各圧電素子１１ａ，１１ｂ，１２に印加される電圧信号Ｖ１ａ〜Ｖ３ａの位相を制御するようにした。

これによって、各マイクロポンプ部１０ａ，１０ｂの液体の送液量が増加するので、液体の送液を短時間で行うことができる。また、混合エリア部９の液体が攪拌されて混合割合が高まるので、液体の混合を適正に行うことができる。
また、位相制御部２３は、混合エリア部９の液体に伝播される振動に、液体を搬送する振動成分が付加されるように電圧信号Ｖ３ａの位相を制御するようにした。これによって、液体の送液量が更に増加するので、液体の送液を、より短時間で行うことができる。

また、各増幅器２４〜２６の利得を制御する利得制御部２７によって、各マイクロポンプ部１０ａ，１０ｂへの振動による液体の搬送量と、混合エリア部９への振動による液体の攪拌量とが増加するように、各電圧信号Ｖ１ａ〜Ｖ３ａの振幅（電圧レベル）を制御するようにした。これによって、上記の位相制御によって液体の送液及び混合が短時間で適正に行われていた状態において、振幅制御によって、更に液体の送液量が増加し、且つ攪拌量が増加して混合割合が高まるので、送液及び混合が、より短時間で適正に行われる。

また、マイクロポンプ部１０ａ，１０ｂ及び混合エリア部９の凹領域は、線状流路の幅よりも広く深いので、当該凹領域においては、より多くの液体が一時的に滞留することになるので、振動供給時の液体の送液及び混合の効果をより高めることができる。
この他、各圧電素子１１ａ，１１ｂ，１２を駆動する波形は、正弦波である必要は無く、矩形波、並びに各圧電素子１１ａ，１１ｂ，１２を駆動可能な波形であればよい。

また、ミキサ機能用の圧電素子の設置位置は、混合流路７又は混合エリア部９である必要はなく、圧電素子の振動が混合流路７又は混合エリア部９へ伝播可能な範囲内なら何処に設置してもよい。例えば、図５に示すように、混合流路７の上流に、ミキサ機能用の圧電素子１３ａ，１３ｂを設置してもよい。
また、ポンプ機能用の圧電素子の設置数は、流路１本当たり１つである必要はなく、複数であってもよい。
更に、ポンプ機能用の圧電素子の設置位置は、混合流路７又は混合エリア部９の上流である必要はなく、下流であってもよい。例えば、図６に示すように、図１の構成に加え、混合エリア部９の下流にも、更にポンプ機能用の圧電素子１４を設置してもよい。

本発明の実施の形態に係るマイクロポンプ・ミキサ一体化装置のチップ部分の構成を示す平面図である。 上記実施の形態に係るマイクロポンプ・ミキサ一体化装置のチップ部分の構成を示す断面図である。 上記実施の形態に係るマイクロポンプ・ミキサ一体化装置の駆動電圧制御部の構成を示すブロック図である。 上記実施の形態に係るマイクロポンプ・ミキサ一体化装置の各圧電素子を駆動する電圧信号の波形の一例を示す図である。 上記実施の形態の第１応用例に係るマイクロポンプ・ミキサ一体化装置のチップ部分の構成を示す平面図である。 上記実施の形態の第２応用例に係るマイクロポンプ・ミキサ一体化装置のチップ部分の構成を示す平面図である。 従来のＹ型マイクロミキサの構成部材を示し、（ａ）は蓋板、（ｂ）は基板の平面図である。 図７（ａ）及び（ｂ）に示す蓋板と基板の接合後のマイクロミキサを、（ｂ）に示すＣ１−Ｃ２矢示線に沿って切断した際の断面図である。 従来のＹ型マイクロミキサの合流箇所に混合エリア部を設けた基板の平面図である。 図９に示す基板に蓋板を接合した後のマイクロミキサを、図９に示すＣ３−Ｃ４矢示線に沿って切断した際の断面図である。

符号の説明

１ 蓋板
２，８，１５ 基板
３，４ 供給口
５ 流出口
６ 微小流路
７ 混合流路
８ 基板
９ 混合エリア部
１０ａ，１０ｂ マイクロポンプ部
１１ａ，１１ｂ，１４ ポンプ機能用の圧電素子
１２，１３ａ，１３ｂ ミキサ機能用の圧電素子
２１ 駆動電圧制御部
２２ 電圧発生部
２３ 位相制御部
２４，２５，２６ 可変利得型の増幅器
２７ 利得制御部
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ１ａ，Ｖ２ａ，Ｖ３ａ 電圧信号

Claims (4)

1. 液体を供給する貫通穴による１乃至は複数の供給口及び液体が流出する貫通穴による１乃至は複数の流出口が形成された蓋板と、前記供給口から供給されて流れる液体を、途中で混合したのち前記流出口から流出するための流路となる溝が形成された基板とを有し、前記基板上に前記溝を覆って前記流路が形成されるように前記蓋板を貼り合わせてチップを構成し、このチップに、前記流路に流れる液体に振動を伝えるための圧電素子を複数固定して成るマイクロポンプ・ミキサ一体化装置において、
   前記複数の圧電素子を振動させるために当該圧電素子に個別に印加される電圧の位相を制御する第１の制御手段を備え、
   前記第１の制御手段によって、前記流路の任意部分の液体に当該液体を搬送する第１の振動と、前記任意部分から離れた部分の液体に当該液体を前記搬送を妨げないように攪拌する第２の振動とが、前記複数の圧電素子から液体に伝わるように、前記電圧の位相を制御する
   ことを特徴とするマイクロポンプ・ミキサ一体化装置。
2. 前記第１の制御手段は、前記第２の振動に液体を搬送する振動成分が付加されるように前記電圧の位相を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ・ミキサ一体化装置。
3. 前記複数の圧電素子を駆動するために当該圧電素子に個別に印加される電圧のレベルを制御する第２の制御手段を更に備え、
   前記第２の制御手段によって、前記第１の振動による液体の搬送量と、前記第２の振動による液体の攪拌量とが増加するように、前記電圧のレベルを制御する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロポンプ・ミキサ一体化装置。
4. 前記圧電素子の振動が、前記液体の送液量及び混合割合に影響を及ぼすように伝わる前記溝の位置に、当該溝を部分的に拡張した凹領域を少なくとも独立して２つ形成した
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のマイクロポンプ・ミキサ一体化装置。

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