JP2006325556A - 加圧装置、培養装置及び加圧容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体の加圧に関し、精緻な加圧制御が可能であり、メンテナンスが容易な加圧装置、培養装置及び加圧容器を提供する。
【解決手段】 液体（培養液１２）を加圧する加圧装置（２）であって、前記液体を充填するチャンバ（１４）の一部に形成された可動壁（２０）の変位により、前記チャンバの容積を変更して前記チャンバ内の前記液体を加圧する加圧部（液体加圧部４）と、駆動信号を受けて前記可動壁を進退させるアクチュエータ（圧電アクチュエータ３２）と、前記液体に作用する圧力を検出する圧力検出部（１０）とを含む構成である。この加圧装置を用いた精緻な加圧制御が可能な培養装置（１００）である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、細胞組織の培養液等の液体を加圧する加圧装置に関し、液体を収容したチャンバ内の液体加圧に用いられる加圧装置、培養装置及び加圧容器に関する。

従来、細胞組織等の被培養物を培養する場合、被培養物の培養液等の液体を加圧する加圧装置には、チャンバ内に供給する液体の供給量を変化させるもの（例えば、特許文献１の図２７）と、チャンバの内容積を変化させるもの（例えば、特許文献１の図２）がある。前者は、一定容積のチャンバに液体をポンプで送り込んで加圧し、圧力逃し弁を用いてチャンバ内圧力の保持等を行う。また、後者は、ピストンの進退長によりチャンバの内容積を変化させることにより、チャンバ内の液体に圧力を加える。
特開２００１−２３８６６３号公報

ところで、液体の供給量により加圧する加圧装置は、例えば、図１５に示すように、人体等の細胞組織の培養に用いられる培養装置４００に用いられている。この培養装置４００において、加圧装置４０２では、ポンプ４０４を用いて培養液である液体４０６に圧力を加える。この場合、ポンプ４０４は、液体４０６を循環させる機能と、培養チャンバ４０８の内部を加圧して細胞４１０又は組織に静水圧を付与する機能とを有する。液体４０６の循環路４１２にはバックプレッシャーレギュレータ４１４が設置され、このバックプレッシャーレギュレータ４１４は、細胞４１０又は組織に与えられる圧力が所定圧力以上になると、弁４１６を開いて圧力を逃がし、培養チャンバ４０８の内部圧力を一定に保つ。このようなポンプ４０４による加圧では、液体４０６に対する圧力を瞬時に変更することには不向きであり、また、液体４０６に対する圧力値を精密に加減調整することが難しい。

また、他の加圧装置は、例えば、図１６に示すように、ピストンを用いてチャンバ内の培養液を加圧するものである。この加圧装置５００では、培養容器５０２のチャンバ５０４に被培養物５０６とともに培養液５０８で満たされ、この培養液５０８は受圧膜５１０で分離された液体室５１２に接しており、液体室５１２には液体５１４が供給されている。液体室５１２を形成する筐体部５１６には、摺動孔５１８が形成されているとともに、Ｏリング５２０を介在させてピストン５２２が液体室５１２内に進退可能に支持されている。ピストン５２２の後端部に取り付けられたフランジ５２４と、ボールスクリュー５２６に取り付けられた移動ベッド５２８との間にはスプリング５３０が設置されている。ボールスクリュー５２６にはハウジング５３２に設置されたモータ５３４がカップリングジョイント５３６により連結されている。モータ５３４の回転がボールスクリュー５２６によって直線移動に変換され、その移動変位がスプリング５３０を介してピストン５２２に加えられる。即ち、移動変位はスプリング５３０の圧縮変化を介してピストン５２２に作用する。

このようなピストン５２２を用いた場合、ピストン５２２の移動摩擦を受けるＯリング５２０は磨耗や変形等を生じ、その耐久力の低下が液漏れを生じさせたり、加圧不良を生じるといった問題がある。また、斯かる構造では、機械的に移動して接触する部分が多く、例えば、ピストン、スプリング等の部品の加工精度、表面処理等の加工要因に加え、接触部分に対する潤滑材等の付加的要因が加圧性能に影響するので、部品や組立精度に高度な品質レベルが必要であり、部品交換やメンテナンスにも注視しなければならない。

そこで、本発明の目的は、液体の加圧に関し、精緻な加圧制御が可能であり、メンテナンスが容易な加圧装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、既述の加圧装置を用いて精緻な加圧制御が可能な培養装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、既述の加圧装置や培養装置等に用いられる加圧容器を提供することにある。

上記課題を解決した本発明の構成について、各側面を列挙して説明する。

本発明の第１の側面は、液体を加圧する加圧装置であって、前記液体を充填するチャンバの一部に形成された可動壁の変位により、前記チャンバの容積を変更して前記チャンバ内の前記液体を加圧する加圧部と、駆動信号を受けて前記可動壁を進退させるアクチュエータと、前記液体に作用する圧力を検出する圧力検出部とを含む構成にある。

この加圧装置において、好ましくは、前記アクチュエータが、電圧レベルに応じた変位量を生じる圧電アクチュエータで構成してもよい。

この加圧装置において、好ましくは、前記圧力検出部の検出値に応じて前記駆動信号を加減し、前記アクチュエータから前記可動壁に作用させる変位量又は加圧力の一方又は双方を制御する制御手段を含む構成としてもよい。

この加圧装置において、好ましくは、前記アクチュエータの前記可動壁に対する変位量を補正する補正手段を含む構成としてもよい。

また、本発明の第２の側面は、培養装置であって、培養液とともに被培養物が収容されたチャンバの一部に形成された可動壁の変位により、前記チャンバ内の前記培養液を加圧する加圧部と、駆動信号を受けて前記可動壁を進退させるアクチュエータと、前記培養液に作用する圧力を検出する圧力検出部とを含む構成にある。

この培養装置において、前記圧力検出部の検出値に応じて前記駆動信号を加減し、前記アクチュエータから前記可動壁に作用させる変位量又は加圧力の一方又は双方を制御する制御手段を含む構成としてもよい。

この培養装置において、前記チャンバに前記培養液を循環させる循環回路を備える構成としてもよい。

また、本発明の第３の側面は、加圧容器であって、被培養物とともに培養液を収容するチャンバと、外力を受けて変位し、その変位量に応じて前記培養液を加圧する可動壁とを備える構成である。

この加圧容器において、好ましくは、前記チャンバに蓋部を備え、該蓋部により前記チャンバを開閉可能にした構成としてもよい。

この加圧容器において、好ましくは、前記チャンバに前記培養液を供給し、前記チャンバ内の前記培養液を排出させるポートを備える構成としてもよい。

本発明の加圧装置によれば、次の効果が得られる。

(1) チャンバの一部に形成された可動壁をアクチュエータによって進退させ、チャンバ内の液体を加圧するので、加圧部の構造を簡略化でき、装置のコンパクト化、メンテナンスの容易化、加圧制御の容易化が図られる。

(2) チャンバ内の液体搬送と独立して液体加圧が行える。

(3) アクチュエータにより精緻な加圧制御が可能になるとともに、高速応答性を図ることができる。

(4) アクチュエータ制御により、種々の加圧パターンを実現できる。

(5) アクチュエータに圧電アクチュエータを用いれば、電圧レベルに応じて所望の変位量を加圧部に作用させることができ、モータアクチュエータを用いた場合に比較し、摩擦部分を省略できる。

また、本発明の培養装置によれば、既述の加圧装置の効果が得られるとともに、被培養物に対して多様な加圧刺激を付与することができる。

また、本発明の加圧容器によれば、次の効果が得られる。

(1) 可動壁を変位させることにより、培養液に圧力を作用させることができる。

(2) 蓋部を備えたので、チャンバに収容する被培養物等の出入れやチャンバ内の洗浄等を容易に行うことができる。

(3) チャンバ内にポートを通じて培養液を循環させることができる。

〔第１の実施の形態〕

本発明の第１の実施の形態について、図１、図２及び図３を参照して説明する。図１は第１の実施の形態に係る加圧装置を示す図、図２は加圧容器を示す断面図、図３は駆動力発生部を示す図である。

この加圧装置２は、後述の培養装置に用いることができる。この加圧装置２は、液体加圧部４、駆動力発生部６、制御部８、圧力検出部１０等を備えている。液体加圧部４は、駆動力発生部６に発生させた駆動力により液体として例えば、培養液１２を加圧する機能部である。制御部８は、圧力検出部１０からの検出圧力を制御情報に用いて駆動力発生部６に発生させる駆動力を制御し、又は種々の加圧パターンに対応した駆動力を駆動力発生部６に発生させる。

液体加圧部４にはチャンバ１４を形成した加圧容器１６が備えられ、この加圧容器１６は蓋１８によって閉塞されるとともに、蓋１８と加圧容器１６との間に可動壁２０が挟み込まれて設置されている。蓋１８と加圧容器１６とは、固定手段に例えば、複数の固定ネジ１９を用いて分解可能に固定されている。従って、チャンバ１４は可動壁２０によって密閉され、その内部には細胞組織等の被培養物２２とともに培養液１２が収容されている。この場合、加圧容器１６は、培養容器として用いられる。ここで、可動壁２０は、図中、上下方向に変位し、チャンバ１４内の培養液１２等を加圧する。この可動壁２０は、変形可能で培養液１２を劣化させない材質として例えば、ＰＥＴやＰＦＡ（フッ素樹脂）、ＰＴＦＥ（poly tetra fluoro ethylene）、ＰＥ（poly ethylene ）等で形成されている。この可動壁２０と加圧容器１６との間にはＯリング２６が設置され、加圧容器１６が封止されている。

蓋１８には、可動壁２０の任意の位置例えば、その中央部に対応する位置にガイド孔２８が形成され、このガイド孔２８には、駆動力発生部６の駆動力によって移動可能な加圧コンタクト３０が設置されている。加圧コンタクト３０には、電気信号に応じた駆動力を発生するアクチュエータとして例えば、圧電アクチュエータ３２が連結され、圧電アクチュエータ３２から付与された駆動力に応じた変位が得られる。この変位が可動壁２０を通じて加圧容器１６のチャンバ１４の内容積を狭め、培養液１２を加圧する。

この加圧力は、圧電アクチュエータ３２と加圧コンタクト３０との間に介在させた感圧素子３４に生じた電気的変化としてリード線３６を通して取り出される。この電気的変化は圧力検出部１０に加えられ、感圧素子３４に作用した圧力が電気信号として取り出される。この検出信号は圧力検出部１０から制御情報として制御部８に加えられている。

圧電アクチュエータ３２は、取付板３８に設置された固定台４０に固定ネジ４２によって固定されている。取付板３８は、加圧容器１６に固定ネジ４４によって着脱可能に固定されている。

そして、制御部８にはコントローラ４６、操作部４８及び表示部５０が備えられ、コントローラ４６には圧力検出部１０からの検出信号が加えられるとともに、圧電アクチュエータ３２に対する駆動信号が得られる。この駆動信号は、リード線５２を通して圧電アクチュエータ３２に加えられている。操作部４８はキーボード等で構成され、加圧パターン等の制御情報の入力に用いられる。表示部５０は例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）で構成され、制御内容の表示に用いられる。

液体加圧部４及び駆動力発生部６は、図２及び図３に示すように、分解可能であり、独立した構成部材である。また、液体加圧部４では、固定ネジ１９を外すことにより、加圧容器１６から蓋１８を取り外すことが可能である。この場合、液体加圧部４には、培養液１２を注入するとともに、その中に被培養物２２を浸す。可動壁２０にはフィルムが使用され、培養液１２中に気泡が入らないように培養液１２と可動壁２０とを密着させた後、蓋１８を嵌め、固定ネジ１９で締め付けて、加圧容器１６と蓋１８とを固定し、液体加圧部４が構成される。培養液１２中に気泡が侵入すると、気泡が持つ収縮率のため、圧電アクチュエータ３２による体積変化が気泡に吸収されて圧縮ロスを生じるので、これを防止するために気泡の侵入を防止しなければならない。また、圧電アクチュエータ３２の寸法誤差は固定ネジ４２による取付位置で補正する。

次に、圧電アクチュエータについて、図４及び図５を参照して説明する。図４は、圧電アクチュエータの原理を示す図、図５は、印加電圧をパラメータにし、横軸に変位量ｘ、縦軸に発生力ｆ（ｘ）をとって示した圧電アクチュエータの特性図である。

圧電アクチュエータ３２は、図４に示すように、圧電セラミック３２０を挟んで電極３２２、３２４が設置されたものであり、電極３２２、３２４には入力端子３２６、３２８を通して電圧Ｖが印加される。電極３２２、３２４に電圧Ｖが加わると、圧電セラミック３２０には変位Δｍが生じ、その変位量は電圧Ｖのレベルに応じて変化する。そこで、この変位量を可動壁２０を変位させる駆動力に利用することができる。

この圧電アクチュエータ３２が備える特性は、力が加われば変位量が小さくなるというスプリングに似た特性であり、一定印可電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３）による発生力ｆ（ｘ）〔Ｎ〕と変位量ｘ〔cm〕の関係は、
ｆ（ｘ）＝−ａｘ＋ｂ ・・・(1)
となり、１次関数の関係にある。式(1) において、ａ、ｂは定数である。

次に、制御部８を含む加圧装置２の制御系統について、図６を参照して説明する。図６は、その制御系統を示すブロック図である。

この制御系統では、制御部８に所定の加圧パターンが設定され、駆動力発生部６で発生した駆動力により加圧容器１６の容積を変更することにより、培養液１２に圧力が付与される。この圧力は圧力検出部１０で検出され、その検出圧力がコントローラ４６に加えられ、設定されている加圧パターンになるように設定値との誤差補正を行うフィードバック制御が実行される。コントローラ４６はコンピュータで構成され、ＣＰＵ（Central Processing Unit ）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、ＲＡＭ（Random-Access Memory）、タイマ等を備えている。コントローラ４６で出力された駆動信号がドライバ５４を通して圧電アクチュエータ３２に加えられる。この実施の形態では、圧電アクチュエータ３２を用いているが、他のアクチュエータとしてソレノイドアクチュエータを用いてもよい。感圧素子３４には、圧力センサの他、力センサを用いてもよい。

次に、加圧装置２の加圧動作を説明する。既述した通り、伸縮特性を持つ圧電アクチュエータ３２に取り付けた加圧コンタクト３０を移動させて可動壁２０を変位させ、チャンバ１４内の培養液１２の体積を変化させ、その結果、培養液１２の加圧が行われる。

ここで、チャンバ１４の内容積をＶ〔cm³ 〕、加圧コンタクト３０の可動壁２０に接する面積をＳ〔cm² 〕、加圧コンタクト３０の変位（移動距離）をｘ〔cm〕、加圧コンタクト３０の変位に伴うチャンバ１４の内容積の変化量をΔＶ〔cm³ 〕とすると、この変化量ΔＶ〔cm³ 〕は、
ΔＶ＝Ｓ×ｘ ・・・(2)
となる。このときの圧力をＰ〔kg / cm²〕とし、培養液１２の圧縮率をβ〔kg / cm²〕とすると、この圧縮率β〔kg / cm²〕は、
β＝（−ΔＶ／Ｖ）／Ｐ＝−Ｓ×ｘ／（Ｖ×Ｐ） ・・・(3)
となる。そこで、圧力Ｐ（ｘ）〔kg / cm²〕は、
Ｐ（ｘ）＝Ｓ×ｘ／（Ｖ×β） ・・・(4)
と表すことができる。この場合、加圧コンタクト３０に掛かる力Ｆ（ｘ）〔Ｎ〕は、
Ｆ（ｘ）＝９．８×Ｐ×Ｓ＝９．８×Ｓ² ×ｘ／（Ｖ×β） ・・・(5)
となる。

一方、圧電アクチュエータ３２は力Ｆ（ｘ）が加わると、その変位量が小さくなるというスプリングに似た特性を持つことから（図５）、一定の印可電圧における圧電アクチュエータ３２の発生力ｆ（ｘ）と変位量ｘ〔cm〕の特性は、式(1) の通りである。ここで、ａ、ｂは、圧電アクチュエータ３２の印可電圧により変化するパラメータであるが、定格電圧においては、アクチュエータ固有の定数となる。発生力ｆ（ｘ）は、−ａ、切片ｂとなるｘの１次関数である。ｂは、圧電アクチュエータ３２の変位０〔cm〕としたときの発生力で、印可電圧を変えると変動する値である。そこで、最大変位量をＸ_R （Ｘ軸との交点）、最大発生力をＦ_R （ｆ軸との交点）とすると、定格電圧における発生力ｆ（ｘ）と、変位量ｘの関係は、
ｆ（ｘ）＝−（Ｆ_R ／Ｘ_R ）ｘ＋Ｆ_R ・・・(6)
となる。

圧電アクチュエータ３２に発生させた力を効率良く使用するには、発生力ｆ（ｘ）と変位量ｘとの積が最大となるときであり、即ち、ｘ＝Ｘ_R ／２のとき、ｆ（Ｘ_R ／２）＝Ｆ_R ／２である。そこで、式(4) から、変位量をｘ＝Ｘ_R ／２としたとき、加圧コンタクト３０の面積Ｓ（Ｘ_R ／２）は、
Ｓ（Ｘ_R ／２）＝β×Ｖ×Ｐ／ｘ＝２×β×Ｖ×Ｐ／Ｘ_R ・・・(7)
となる。圧電アクチュエータ３２の発生力ｆ（ｘ）は加圧コンタクト３０を押す力Ｆより大きく設定しなければならないので、ｆ（Ｘ_R ／２）≧Ｆ（Ｘ_R ／２）が成立し、式(5) より、圧電アクチュエータ３２の最大発生力Ｆ_R と最大変位量Ｘ_R の関係は、
Ｆ_R ／２≧９．８×Ｓ² ×Ｘ_R ／２／（β×Ｖ） ・・・(8)
Ｆ_R ≧９．８×Ｓ² ×Ｘ_R ／（β×Ｖ） ・・・(9)
となる。

次に、加圧コンタクト３０の進退による加圧容器１６の加圧について、図７を参照して説明する。図７の（Ａ）及び（Ｂ）は加圧コンタクト３０の進退による加圧容器１６の加圧動作を示す図であり、（Ａ）は加圧前の状態、（Ｂ）は加圧後の状態を示している。

圧電アクチュエータ３２に駆動信号が与えられない場合には、図７の（Ａ）に示すように、加圧コンタクト３０は下降しないので、可動壁２０は水平に維持される。この状態から、圧電アクチュエータ３２に駆動信号が与えられると、図７の（Ｂ）に示すように、加圧コンタクト３０は下降し、その変位量に応じて可動壁２０が変位する。この可動壁２０が下降した分だけ、チャンバ１４の内容積が狭められて培養液１２が加圧される。これにより、被培養物２２が加圧される。また、駆動信号が解除されれば、加圧コンタクト３０は元位置に復帰し、培養液１２及び被培養物２２の加圧が解除される。

次に、加圧装置２の圧力制御について、図８を参照して説明する。図８は加圧制御を示すフローチャートである。

制御部８に通電すると、表示部５０に現れる設定画面に操作部４８により加圧パターン、圧力、圧力誤差許容値、加圧周期、期間等を設定する（ステップＳ１）。これら設定内容について、加圧パターンは、例えば、一定圧動作にするか周期圧動作にするか間欠動作にするか等である。圧力は、圧力値の例えば、最大値と最小値である。圧力誤差許容値は、比率設定（±〔％〕）でもよく、また、具体的な数値設定（±〔ｋＰａ〕）でもよい。加圧周期は、圧力の最大値と最小値の繰返し周期を表す。期間は、加圧の運転時間、その運転開始時刻、運転終了時刻である。

加圧装置２について、圧電アクチュエータ３２が持つ寸法や電気特性に相違があり、チャンバ１４に流れる培養液１２が異なるため、運転開始前に加圧特性の確認が必要である。操作部４８のスタートボタンが押されると（ステップＳ２）、プリチェック（ステップＳ３）が開始される。このプリチェックでは、感圧素子３４による検出圧力を監視しながら、圧電アクチュエータ３２の電圧を徐々に上げ、加圧コンタクト３０を突出させる。その突出量により、加圧コンタクト３０が可動壁２０に触れ、可動壁２０に対する圧力が変化したとき、そのときの指令値を原点（零点）として記憶する。電圧を上げ、圧力が設定した最大値に達したら、そのときの指令値を最大値として記憶する。また、電圧を下げ、圧力が最小値に達したら、そのときの指令値を最小値として記億する。これらの圧力値は、コントローラ４６のＲＡＭに記憶する。この場合、制御部８は圧電アクチュエータ３２に対し電圧を加えるが、この加圧量は感圧素子３４からの信号によりリード線３６を経て圧力検出部１０で検出され、その値によりコントローラ４６は圧電アクチュエータ３２に対し加減した電圧をリード線５２を経て加える。

このようなプリチェックの終了後、設定条件に従って加圧動作を開始し（ステップＳ４）、これ以降、終了するまで常時圧力を監視する（ステップＳ５）。圧力の目標値に対する誤差を計算し、圧力の高低を判断する（ステップＳ６）。圧力が許容値より低い場合には、電圧（指令値）を上昇させ（ステップＳ７）、圧力が許容値より高い場合には、電圧（指令値）を下降させ（ステップＳ８）、ステップＳ５に戻る。

このようなフィードバック制御を実行し、その実行中に安全運転中であるか否かの確認を行い（ステップＳ９）、異常状態であれば加圧動作を停止し、警報を出す（ステップＳ１０）。

運転開始からの運転時間を計測し、その運転時間が所定時間を経過したか否かの監視を行う（ステップＳ１１）。運転時間が所定時間を経過する前にはステップＳ５に戻り、フィードバック制御を実行しながら、運転時間の監視を継続する。運転時間が所定時間に到達すると、加圧運転を終了する（ステップＳ１２）。オペレータはこの運転の終了の後、制御部８の電源を停止させる。

そして、圧電アクチュエータ３２を使用した加圧装置２において、圧電アクチュエータ３２の性能要素である変位量及び発生力により、チャンバ１４の内容積、加圧コンタクト３０の面積及び要求圧力を構成する。

〔第２の実施の形態〕

次に、本発明の第２の実施の形態について、図９を参照して説明する。図９は、原点位置補正部を付加した加圧装置を示している。図９において、図１と同一部分には同一符号を付してある。

この実施の形態の加圧装置２は、原点位置補正部５６を付加したものである。圧電アクチュエータ３２の寸法誤差は、その駆動部である圧電素子の変位量より遥に大きい。このため、圧電アクチュエータ３２の変位量だけで原点位置の補正は困難であり、必要となる圧力を確保するには圧電アクチュエータ３２に位置補正するための機能が必要である。この位置補正の機能部として原点位置補正部５６が付加されており、この実施の形態では、モータアクチュエータ５８が付加されている。

モータアクチュエータ５８は、モータ６０の回転運動を直線運動に変換する変換手段である。圧電アクチュエータ３２の固定台４０は、ボールスクリュー６２の回転に応じて可動できる構造である。ボールスクリュー６２は、カップリングジョイント６４によりモータ６０の回転軸に連結され、モータ６０により回転する。モータ６０はリード線６６を経てコントローラ４６に接続され、回転が制御される。この場合、モータアクチュエータ５８は、圧電アクチュエータ３２の原点位置の調整に用いられ、加圧は圧電アクチュエータ３２によって実行される。

斯かる構成によれば、モータアクチュエータ５８を用いて加圧コンタクト３０の位置を補正し、適正な位置に設定された加圧コンタクト３０に対し、圧電アクチュエータ３２により圧力を付与することができる。

なお、この実施の形態では、加圧コンタクト３０の位置補正にモータアクチュエータ５８を用いたが、その他の位置補正として例えば、圧電アクチュエータ３２の位置を移動させる調整ネジや、チャンバ１４の容積を可変させる調整ネジを設け、手動補正してもかまわない。チャンバ１４内に水を使用したとき、水の圧縮率を４．５×１０^-5〔cm² / kg〕で考えると、直径３６〔mm〕（３．６〔cm〕）、厚み１０〔ｔ〕（１〔cm〕）のチャンバ１４において、水の圧力を５〔ＭＰａ〕（約５１〔kg/ cm² 〕）まで加圧させるための加圧コンタクト３０の面積Ｓ（可動壁２０との接触面積）と圧電アクチュエータ３２に要求される性能は以下の通りである。

チャンバ１４の内容積Ｖ〔cm³ 〕は、
Ｖ＝Ｓ₁ ×Ｌ
＝｛（３．６／２）² ×π｝×１
＝１０．１７ ・・・(10)
であり、圧電アクチュエータ３２の最大変位量Ｘ_R を１００〔μm 〕（０．０１〔cm〕）としてみると、加圧コンタクト３０の面積Ｓは、式(7) より、
Ｓ（Ｘ_R ／２）＝９×Ｖ×Ｐ／（Ｘ_R ×１０⁵ ）
＝９×１０．１７×５１／（０．０１×１０⁵ ）
＝４．６６８ ・・・(11)
が求められ、また、圧電アクチュエータ３２の最大変位量Ｆ_R は、式(9) より、
Ｆ_R ≧２．１７８×１０⁵ ×Ｓ² ×Ｘ_R ／Ｖ
≧２．１７８×１０⁵ ×（４．６６８）² ×０．０１／１０．１７
≧４６６７ ・・・(12)
が求められる。

即ち、加圧コンタクト３０の面積Ｓを４．６６８〔cm² 〕（直径２４．４〔mm〕）、最大変位量１００〔μm 〕、最大発生力４６６７〔Ｎ〕以上の圧電アクチュエータ３２を使用する必要がある。

〔第３の実施の形態〕

次に、本発明の第３の実施の形態について、図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、液循環ポートを備えた加圧装置を示す図、図１１はその分解図である。図１０及び図１１において、図１と同一部分には同一符号を付してある。

この実施の形態の加圧装置２は、液循環ポート６８、７０を形成したものである。液体加圧部４の加圧容器１６はポリアセタール、フッソ樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、硬めのシリコンゴム等の材質で形成され、その本体部７２の一部を薄くして膜状の可動壁２０が形成されている。本体部７２は、ガード７４内に収容されて補強され、可動壁２０を跨がって開口部７６、７８を備えている。開口部７６には蓋部８０が設置され、この開口部７６は、蓋部８０の径小部８２が挿入されるとともに、この径小部８２に取り付けられたＯリング８４によって封止されている。即ち、本体部７２の開口部７６は蓋部８０によって封止され、チャンバ１４が形成されている。また、開口部７８側には蓋１８が設置され、この実施の形態では、蓋１８の内面側に突出させた環状の立壁部８６が開口部７８に挿入されている。立壁部８６の内側には加圧コンタクト３０が設置され、この加圧コンタクト３０の背面側に感圧素子３４を介して圧電アクチュエータ３２が設置されている。

そして、加圧容器１６のチャンバ１４には、本体部７２を開口して液循環ポート６８、７０が形成され、各液循環ポート６８、７０にはＯリング８８、９０が取り付けられ、図示しない循環パイプとの連結が可能になっている。

このような構成によれば、チャンバ１４内に培養液１２を液循環ポート６８、７０を通して循環させることができるとともに、循環を停止させた際、圧電アクチュエータ３２の駆動により、チャンバ１４内の培養液１２を加圧することができる。また、その加圧量は感圧素子３４で検出でき、その検出値を圧電アクチュエータ３２の加圧制御に用いることができる。

〔第４の実施の形態〕

次に、本発明の第４の実施の形態について、図１２及び図１３を参照して説明する。図１２は、培養装置を示す図、図１３は加圧コンタクトと可動壁との関係を示す図である。図１２及び図１３において、図１及び図９と同一部分には同一符号を付してある。

この実施の形態の培養装置１００は、循環路１０２に既述の加圧装置２（図１０）を備えて培養液１２を加圧する構成である。循環路１０２は例えば、シリコンチューブで構成されて培養液１２を循環させる。この循環路１０２には液溜め１０４が接続され、この液溜め１０４に溜められた培養液１２が加圧装置２に循環する。

循環路１０２には、加圧装置２を中心にして上流側に送液ポンプ１０６及び注入側バルブ１０８が接続され、また、下流側に排出側バルブ１１０が設置されている。注入側バルブ１０８は加圧装置２の循環ポート６８に連結され、また、排出側バルブ１１０が循環ポート７０に連結されている。

各バルブ１０８、１１０には制御部８（図９）のコントローラ４６から駆動信号が付与され、加圧装置２の加圧動作に対応して閉止又はその解除が行われる。この場合、バルブ１０８、１１０の閉止は、加圧処理のため、チャンバ１４に培養液１２を閉じ込める処理であり、その解除（開放）は、培養液１２を通流させるための処理である。

チャンバ１４には培養液１２とともに被培養物２２が封入されている。被培養物２２の封入の際、チャンバ１４内の空気を排出させる。

斯かる構成によれば、培養液１２を循環路１０２を通してチャンバ１４に通流させるとともに、バルブ１０８、１１０の閉止の後、圧電アクチュエータ３２を駆動して加圧コンタクト３０を進退させることにより、培養液１２を加圧し、この加圧により被培養物２２に刺激を与えることができる。

培養液１２の注入の際、圧電アクチュエータ３２の電圧を下げ、注入側バルブ１０８、排出側バルブ１１０を開き、送液ポンプ１０６を動作させて培養液１２の注入を行う。

加圧装置２において、加圧コンタクト３０は、可動壁２０との間に空気層が生じないように、図１３に示すように、加圧コンタクト３０の可動壁２０との接触面を中心にその中心を頂点として緩やかな球面Ｒに形成されている。また、加圧コンタクト３０の移動量は例えば、数十〔μm 〕と小さく、可動壁２０の変形量は僅かであるが、そのコーナー部には張力や応力が集中するので、可動壁２０との隙間を小さくし、エッジＲｃを圧電アクチュエータ３２の変位量に対応して丸め、可動壁２０とのストレスを最小限にするように設定されている。同様に、蓋１８の立壁部８６の角部にもエッジＲｃが設定されている。

このような培養装置１００に培養容器として用いられた加圧容器１６の加圧動作について、図１４を参照して説明する。図１４の（Ａ）及び（Ｂ）は加圧コンタクト３０の進退による加圧容器１６の加圧動作を示す図であり、（Ａ）は加圧前の状態、（Ｂ）は加圧後の状態を示している。

圧電アクチュエータ３２に駆動信号が与えられない場合には、図１４の（Ａ）に示すように、加圧コンタクト３０は移動しないので、可動壁２０は垂直に維持される。この状態から、圧電アクチュエータ３２に駆動信号が与えられると、図１４の（Ｂ）に示すように、加圧コンタクト３０は進出し、その変位量に応じて可動壁２０が変位する。この可動壁２０が下降した分だけ、チャンバ１４の内容積が狭められて培養液１２が加圧される。これにより、被培養物２２が加圧される。また、駆動信号が解除されれば、加圧コンタクト３０は元位置に復帰し、培養液１２及び被培養物２２の加圧が解除される。

なお、上記実施の形態では、液溜め１０４を１つとし、培養液１２を循環させているが、チャンバ１４を循環した培養液１２を再循環させない場合には、注入側バルブ１０８側に液溜めを設置し、排出側バルブ１１０から培養液１２を外部に廃棄するように構成してもよい。

本発明によれば、圧電アクチュエータを用いて可動壁を変位させることにより、チャンバ内の液体を加圧する構成であるから、加圧力を生じさせる構成の簡略化や加圧制御が精緻に行える等の利点があり、産業上有益である。

第１の実施の形態に係る加圧装置を示す図である。 加圧装置の液体加圧部を示す断面図である。 駆動力発生部を示す図である。 圧電アクチュエータの原理を示す図である。 圧電アクチュエータの動作特性を示す図である。 制御系統を示すブロック図である。 加圧動作を示す図である。 加圧制御を示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る加圧装置を示す図である。 第３の実施の形態に係る加圧装置を示す図である。 加圧装置を示す分解図である。 第４の実施の形態に係る培養装置を示す図である。 加圧コンタクトと可動壁との関係を示す部分拡大図である。 加圧動作を示す図である。 従来の培養装置及び加圧装置を示す図である。 従来の他の加圧装置を示す断面図である。

符号の説明

２ 加圧装置
４ 液体加圧部
８ 制御部
１０ 圧力検出部
１２ 培養液
１４ チャンバ
２０ 可動壁
２２ 被培養物
３２ 圧電アクチュエータ
１００ 培養装置

Claims (10)

1. 液体を加圧する加圧装置であって、
   前記液体を充填するチャンバの一部に形成された可動壁の変位により、前記チャンバの容積を変更して前記チャンバ内の前記液体を加圧する加圧部と、
   駆動信号を受けて前記可動壁を進退させるアクチュエータと、
   前記液体に作用する圧力を検出する圧力検出部と、
   を含む加圧装置。
2. 請求項１に記載の加圧装置において、
   前記アクチュエータが、電圧レベルに応じた変位量を生じる圧電アクチュエータで構成された加圧装置。
3. 請求項１に記載の加圧装置において、
   前記圧力検出部の検出値に応じて前記駆動信号を加減し、前記アクチュエータから前記可動壁に作用させる変位量又は加圧力の一方又は双方を制御する制御手段を含む加圧装置。
4. 請求項１に記載の加圧装置において、
   前記アクチュエータの前記可動壁に対する変位量を補正する補正手段を含む加圧装置。
5. 培養液とともに被培養物が収容されたチャンバの一部に形成された可動壁の変位により、前記チャンバ内の前記培養液を加圧する加圧部と、
   駆動信号を受けて前記可動壁を進退させるアクチュエータと、
   前記培養液に作用する圧力を検出する圧力検出部と、
   を含む培養装置。
6. 請求項５に記載の培養装置において、
   前記圧力検出部の検出値に応じて前記駆動信号を加減し、前記アクチュエータから前記可動壁に作用させる変位量又は加圧力の一方又は双方を制御する制御手段を含む培養装置。
7. 請求項５に記載の培養装置において、
   前記チャンバに前記培養液を循環させる循環回路を備える培養装置。
8. 被培養物とともに培養液を収容するチャンバと、
   外力を受けて変位し、その変位量に応じて前記培養液を加圧する可動壁と、
   を備える加圧容器。
9. 請求項８に記載の加圧容器において、
   前記チャンバに蓋部を備え、該蓋部により前記チャンバを開閉可能にした加圧容器。
10. 請求項８に記載の加圧容器において、
    前記チャンバに前記培養液を供給し、前記チャンバ内の前記培養液を排出させるポートを備える加圧容器。

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