JP2006090309A - Ｅｈｄ技術を用いた流体回転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＭＥＭＳ技術とＥＨＤ技術とを接木して長い使用寿命及び小さいサンプルのみでも細胞レベルの微細な粒子を損傷させることなく遠心分離できる流体回転装置を提供する。
【解決手段】 極性流体が吸入される空間部が形成された基底層と、基底層に設けられた第１及び第２の電極と、空間部を密閉し、極性流体を空間部に供給する流入口と空間部に受容された極性流体が排出される吐き出し口を含むカバーと、カバー又は基底層に設けられる第３の電極と、各電極に電源を供給する電源装置と、を含むことを特徴とする。これにより、少ない量のサンプルのみでも細胞レベルの微細な粒子を損傷なしで遠心分離でき、また流体ポンプ及び超微細機械の動力源としても使用することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体回転装置に係り、より詳しくは、ＭＥＭＳ工程とＥＨＤ技術を接木して実現した微小流体回転装置に関する。

ＭＥＭＳとは、Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍの頭字で半導体加工方法を応用し微細機械構造を加工する技術又は加工された製品を指称する。これを用いれば、数μｍ以下の超微細構造を持った機械・装備を設計できるという点で、電子・機械・医療・防衛産業など全産業分野に変革を呼ぶことと予測され、世界各国はＭＥＭＳを戦略産業として育成している。

かかるＭＥＭＳ技術をＥＨＤ技術（Ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｏｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）と結合をする場合、非常に小さいサイズの流体回転装置を製作できる。一般に、ＥＨＤ技術は、動部品なしに誘電体（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）液体を移動させるが、こうした誘電体液体として塩水のような極性流体を使用できる。もしＥＨＤ技術を用いて誘電体液体を動かすためのポンプ又は回転装置を製作する場合、誘電体液体を動かすための原動力である圧力差は、誘電体液体に存在する電気場と周囲に負荷された電気場によって得られる。このように、ＭＥＭＳ工程とＥＨＤ技術とを用いた流体回転装置は、誘電体液体を移動させるための動部品（dynamic part for moving the dielectric liquid）が不要であり、長い使用寿命を提供することができると共に、非常に小さいサンプルであっても操作することができることから多い研究が進んでいる。

本発明は、前記のような問題点を解決するためになされたものであって、ＭＥＭＳ技術とＥＨＤ技術とを結合をさせて、長い使用寿命を有し、微細粒子を損傷なしに遠心分離できる流体回転装置を提供することを目的とする。

本願第１発明によるＥＨＤ技術を用いた流体回転装置は、極性流体が吸入される空間部が形成された基底層と、空間部に設けられた複数の第１及び第２の電極と、空間部を密閉し、極性流体を空間部に供給する流入口と空間部に受容された極性流体が排出される吐き出し口を含むカバーと、カバー又は基底層に設けられる第３の電極と、第１、第２、第３の電極に電源を供給する電源装置と、を含むことを特徴とする。

電源装置を通じて第１ないし第３の電極に電源が供給されれば、空間部に受容された極性流体は、第１ないし第３の電極に応じて発生するクーロン力によって空間部の内部で回転する。このように極性流体Ｆが回転を開始すれば遠心力によって、空間部の外側は圧力が高くなり、中央付近の圧力は低くなる。従って、基底層の上側に配置された極性流体Ｆは、圧力差によって流入口を通じて空間部に吸入される。また、流入口に吸入された極性流体Ｆほどの量の空間部にあった極性流体Ｆが押され出しながら吐き出し口を通じて空間部の外部に吐き出される。

以上のような本発明によれば、極性流体を回転させるため動く構造物がないので装置の寿命が延長でき、ＭＥＭＳ工程を用いて流体回転装置を非常に小さいサイズに製作するので、この流体回転装置を遠心分離機として使用する場合、少ない量のサンプルのみでも細胞レベルの微細な粒子を損傷なしで遠心分離できる。併せて、本発明は流入口と吐き出し口に個別的な誘導管を連結して流体ポンプとして使用することもでき、吐き出し口を通じて排出される流体の排出圧力を用いて超微細機械（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅ）の動力源としても使用できる。

本願第２発明は、第１発明において、第１、第２、第３の電極は、板状に形成され、互いに行き違うように円形に配置されたことが好ましい。
第１乃至第３電極が行き違うように、つまりオーバーラップしないように形成されることで、各電極に位相差のある交流電源が供給されれば、それにより極性流体が回転する。
本願第３発明は、第１発明において、電源装置は、相異なる位相差を有する３相交流電源を前記第１ないし第３の電極に供給することが好ましい。

第１ないし第３の電極に相異なる位相差に３相交流電源が供給されれば、空間部に受容された極性流体Ｆは、第１ないし第３の電極の位相変化に応じて発生するクーロン力によって空間部の内部で回転する。
本願第４発明は、第１発明において、基底層は、シリコン材質で形成されることが良い。

本願第５発明は、極性流体が吸入される空間部が形成された基底層と、前記空間部に設けられた複数の第１、第２及び第３の電極と、前記空間部を密閉し、前記極性流体を前記空間部に供給する流入口と前記空間部に受容された前記極性流体が排出される吐き出し口を含むカバーと、前記第１ないし第３の電極に電源を供給する電源装置と、を含むことを特徴とする流体回転装置を提供する。この流体回転装置は、本願第１発明と同様の作用効果を奏する。

本願第６発明は、基底層と、前記基底層に設けられた複数の第１及び第２の電極と、前記基底層の上部に設けられ、極性流体が吸入される空間部と前記空間部に前記極性流体を供給する流入口及び前記空間部に受容された前記極性流体が排出される吐き出し口を含むカバーと、前記カバーに設けられる第３の電極と、前記第１ないし第３の電極に電源を供給する電源装置と、を含むことを特徴とする流体回転装置を提供する。この流体回転装置は、本願第１発明と同様の作用効果を奏する。

本願第７発明は、第６発明において、前記第１ないし第３の電極は、板上に形成され、互いに行き違うように円形に配置されたことを特徴とする流体回転装置を提供する。
本願第８発明は、第６発明において、前記電源装置は、相異なる位相差を有する３相交流電源を前記第１ないし第３の電極に供給することを特徴とする流体回転装置を提供する。

本願第９発明は、第６発明において、前記基底層は、シリコン材質で形成されたことを特徴とする流体回転装置を提供する。
本願第１０発明は、基底層と、前記基底層に設けられた複数の第１、第２及び第３の電極と、前記基底層の上部に設けられ、極性流体が吸入される空間部と前記空間部に前記極性流体を供給する流入口及び前記空間部に受容された前記極性流体が排出される吐き出し口を含むカバーと、前記第１ないし第３の電極に電源を供給する電源装置と、を含むことを特徴とする流体回転装置を提供する。この流体回転装置は、本願第１発明と同様の作用効果を奏する。

本発明によれば、長い使用寿命を有し、微細粒子を損傷なしに遠心分離できる流体回転装置を提供することができる。

以下、添付した図面に基づいて、本発明をより詳細に説明する。
示されたように、本発明によるＥＨＤ技術を用いた流体回転装置は、基底層１１０と、第１及び第２の電極１２０，１３０と、カバー１４０と、第３の電極１５０、及び電源装置１６０と、を含む。
基底層１１０の上側には、塩水のような通電可能な極性流体Ｆ（図２参照）が配置され、極性流体Ｆが吸入される空間部１１０ａが形成される。基底層１１０は、シリコン材質で形成されることが好ましい。この際、空間部１１０ａの直径は、大略２ｍｍを越さないように製作されることが好ましく、空間部１１０ａの高さは大略０．１ｍｍ程度に形成できる。

第１及び第２の電極１２０，１３０は、複数の空間部１１０ａに互いにオーバーラップしないように設けられることが好ましい。すなわち、第１及び第２の電極１２０，１３０は、リング状の胴体に複数の第１及び第２の電極１２０，１３０が内側を向いて突出するように設けられる。
カバー１４０は、空間部１１０ａを密閉し、流入口１４１と吐き出し口１４２とを備える。基底層１１０の上側に配置された極性流体Ｆは、流入口１４１を通じて空間部１１０ａに吸入され、吸入された極性流体Ｆは、吐き出し口１４２を通じて基底層１１０の上側に排出される。吐き出し口１４２には、吐き出される極性流体Ｆを誘導するための誘導管１４３が設けられることもできる。

第３の電極１５０は、第１及び第２の電極１２０，１３０と対向されるべく基底層１１０又はカバー１４０に設けられる。この際、第３の電極１５０は、リング状の胴体の内側を向いて複数突設され、第１及び第２の電極１２０，１３０とオーバーラップしないように設けられることが好ましい。第３の電極１５０は、カバー１４０に設けられる場合、図１〜図４に示されたように第１の電極１２０と類似した形態に、一部が第１及び第２の電極１２０，１３０と重畳されるよう設けられる。一方、図５に示されたように、第１、第２、第３の電極３２０，３３０，３５０は、基底層１１０に共に設けられることも可能である。

電源装置１６０は、第１ないし第３の電極１２０，１３０，１５０にそれぞれ相異なる位相の電源を供給する３相交流電源装置に備えられることが好ましい。本発明の第２の実施形態によるＥＨＤ技術を用いた流体回転装置は、図４に示されたように、基底層２１０と、第１及び第２の電極２２０，２３０と、カバー２４０と、第３の電極２５０及び電源装置２６０と、を含むことを特徴とする。

基底層２１０の上側には、塩水のような通電可能な極性流体Ｆ（図２参照）が配置され、シリコン材質で形成されることが好ましい。
第１及び第２の電極２２０，２３０は、図４に示されたように複数に基底層２１１に互いに行き違うように設けられることが好ましい。すなわち、第１及び第２の電極２２０，２３０はリング状の胴体に複数の第１及び第２の電極２２０，２３０が内側を向いて突設される。

カバー２４０は、基底層２１０の上部に設けられ、極性流体Ｆが吸入される空間部２４０ａと空間部２４０ａに極性流体Ｆを供給する流入口２４１及び空間部２４０ａに受容された極性流体Ｆが排出される吐き出し口２４２を備える。基底層２１０の上側に配置された極性流体Ｆは、流入口２４１を通じて空間部２４０ａに吸入され、吸入された極性流体Ｆは吐き出し口２４２を通じて基底層２１０の上側に排出される。

第３の電極２５０は、第１及び第２の電極２２０，２３０と対向してカバー２４０に設けられる。この際、第３の電極２５０は、リング状の胴体の内側を向いて複数突設され、第１及び第２の電極２２０，２３０と行き違うように設けられることが好ましい。
電源装置２６０は、第１ないし第３の電極２２０，２３０，２５０にそれぞれ相異なる位相の電源を供給する３相交流電源装置に備えられることが好ましい。

他方、本発明の第１及び第２の実施形態に構成された第１ないし第３の電極（１２０，１３０，１５０）（２２０，２３０，２５０）（３２０，３３０，３５０）は、平板で形成されることが好ましい。もし第１ないし第３の電極（１２０，１３０，１５０）（２２０，２３０，２５０）（３２０，３３０，３５０）が突起状を有するように形成された場合、突出された電極に電気場が集中され極性流体Ｆの回転が妨害されるからである。

以下、添付した図面と共に本発明による流体回転装置の動作を説明する。参考に本発明の第１の実施形態の空間部１１０ａの形成位置は、基底層１１０であり、第２の実施形態の空間部２４０ａの形成位置は、カバー２４０という差異点以外には同一な動作を行うため、以下では本発明の第１の実施形態による構成を参照として動作を説明する。
電源装置１６０を通じて第１ないし第３の電極１２０，１３０，１５０に相異なる位相差に３相交流電源が供給されれば、空間部１１０ａに受容された極性流体Ｆは、第１ないし第３の電極１２０，１３０，１５０の位相変化に応じて発生するクーロン（Ｃｏｕｌｏｍｂ）力によって空間部１１０ａの内部で回転する。このように極性流体Ｆが回転を開始すれば遠心力によって、空間部１１０ａの外側は圧力が高くなり、中央付近の圧力は低くなる。従って、基底層１１０の上側に配置された極性流体Ｆは、圧力差によって流入口１４１を通じて空間部１１０ａに吸入される。また、流入口１４１に吸入された極性流体Ｆほどの量の空間部１１０ａにあった極性流体Ｆが押され出しながら吐き出し口１４２を通じて空間部１１０ａの外部に吐き出される。

このような構造によれば、極性流体Ｆに回転力を加えるための動く構造物を必要としないので、長時間を使用しても磨耗などによる損失が発生せず装置寿命が延長される。また、作動電圧としては、約５ｋＶ〜約２０ｋＶ程度の高電圧が要求されるが電流量は少なく、約１０μＡ程度であれば十分である。
このような構造の流体回転装置は、細胞単位の物質を遠心分離する遠心分離機として使用できる。この場合には、基底層１１０の上側にヒーター（図示せず）を設けて極性流体Ｆの内部に含有された多様なサイズの細胞間連結を先ず切ってから、電源装置１６０を通じて３相交流電源を第１ないし第３の電極１２０，１３０，１５０に供給する。そうすれば、空間部１１０ａにあった極性流体Ｆが高速に回転しながら流入口１４１に多様なサイズの細胞を含んでいる極性流体Ｆを吸入する。吸入された極性流体Ｆは、遠心力によって含んでいる細胞が質量別に分離されながら吐き出し口１４２を通じて空間部１１０ａの外へ排出される。吐き出し口１４２には、図２に示されたよう誘導管１４３を設けることもできるが、この誘導管１４３を通じて排出される細胞の捕集をより簡便にすることができる。

また、このような構造の流体回転装置は、流入口１４１と吐き出し口１４２とを互いに個別的な誘導管に形成し流体ポンプとして使用することもでき、吐き出し口１４２を通じて排出される極性流体Ｆの排出圧力を用いることで超微細機械の動力源としても使用することもできる。
以上のような本発明によれば、極性流体を回転させるため動く構造物がないので装置の寿命が延長できる。また、ＭＥＭＳ工程を用いて流体回転装置を非常に小さいサイズに製作できることから、この流体回転装置を遠心分離機として使用する場合に少量のサンプルのみでも細胞レベルの微細な粒子を損傷なしで遠心分離できる。

併せて、本発明は、流入口と吐き出し口に個別的な誘導管を連結し流体ポンプとして使用することもでき、吐き出し口を通じて排出される流体の排出圧力を用いて超微細機械の動力源としても使用できるなど、その適用範囲が幅広い。
以上では、本発明の好適な実施形態でついて示して説明したが、本発明は、前述した特定の実施形態に限定されなく、特許請求の範囲から請求する本発明の要旨を外れることがなく当業者によって多様な変形実施が可能なものは勿論であり、こうした変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはいけないことである。

本発明に係る流体回転装置の平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩの断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る流体回転装置の分解斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る流体回転装置の分解斜視図である。 第１、第２、第３の電極が同一平面上に位置された状態を示した流体回転装置の平面図である。

符号の説明

１１０，２１０ 基底層
１１０ａ，２４０ａ 空間部
１２０，２２０ 第１の電極
１３０，２３０ 第２の電極
１４０，２４０ カバー
１４１，２４１ 流入口
１４２，２４２ 吐き出し口
１５０，２５０ 第３の電極

Claims (10)

1. 極性流体が吸入される空間部が形成された基底層と、
   前記空間部に設けられた複数の第１及び第２の電極と、
   前記空間部を密閉し、前記極性流体を前記空間部に供給する流入口と前記空間部に受容された前記極性流体が排出される吐き出し口を含むカバーと、
   前記カバーに設けられる第３の電極と、
   前記第１ないし第３の電極に電源を供給する電源装置と、
   を含むことを特徴とする流体回転装置。
2. 前記第１ないし第３の電極は、板状に形成され、互いに行き違うように円形に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の流体回転装置。
3. 前記電源装置は、相異なる位相差を有する３相交流電源を前記第１ないし第３の電極に供給することを特徴とする請求項１に記載の流体回転装置。
4. 前記基底層は、シリコン材質で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の流体回転装置。
5. 極性流体が吸入される空間部が形成された基底層；
   前記空間部に設けられた複数の第１、第２及び第３の電極；
   前記空間部を密閉し、前記極性流体を前記空間部に供給する流入口と前記空間部に受容された前記極性流体が排出される吐き出し口を含むカバー；および
   前記第１ないし第３の電極に電源を供給する電源装置；
   を含むことを特徴とする流体回転装置。
6. 基底層；
   前記基底層に設けられた複数の第１及び第２の電極；
   前記基底層の上部に設けられ、極性流体が吸入される空間部と前記空間部に前記極性流体を供給する流入口及び前記空間部に受容された前記極性流体が排出される吐き出し口を含むカバー；
   前記カバーに設けられる第３の電極；および
   前記第１ないし第３の電極に電源を供給する電源装置；
   を含むことを特徴とする流体回転装置。
7. 前記第１ないし第３の電極は、板上に形成され、互いに行き違うように円形に配置されたことを特徴とする請求項６に記載の流体回転装置。
8. 前記電源装置は、相異なる位相差を有する３相交流電源を前記第１ないし第３の電極に供給することを特徴とする請求項６に記載の流体回転装置。
9. 前記基底層は、シリコン材質で形成されたことを特徴とする請求項６に記載の流体回転装置。
10. 基底層；
    前記基底層に設けられた複数の第１、第２及び第３の電極；
    前記基底層の上部に設けられ、極性流体が吸入される空間部と前記空間部に前記極性流体を供給する流入口及び前記空間部に受容された前記極性流体が排出される吐き出し口を含むカバー；および
    前記第１ないし第３の電極に電源を供給する電源装置；
    を含むことを特徴とする流体回転装置。

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