JP2008274932A - マイクロ流体デバイスを用いた送液装置および送液方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 送液の効率を向上させた送液方法および送液手段を提供する。
【解決手段】 マイクロ流体デバイス内の流路に存在する液体を制御する装置システムにおいて、送液のために超音波振動子を設け、その超音波振動子は振幅変調による発振を行う。また、超音波振動子上にはマイクロ流体デバイスを保持するための保持部を設け、マイクロ流体デバイスを着脱可能とする。
【選択図】 図２

Description

本発明はマイクロ流体デバイスと、それを用いた装置システムに関するものである。また本発明は、マイクロ流体デバイスを用いた液体の送液方法に関する。

ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ）分野の一つとして注目されている領域に、バイオや環境分析、化学合成がある。これらを行うためのデバイスとしてマイクロ流体デバイス、あるいはμＴＡＳ（ｍｉｃｒｏ ｔｏｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれているものがある。

これには、半導体やガラス、あるいはセラミックスやプラスチックなどの基板に流路を設け、その流路内に検体となるサンプルや試薬、あるいは化学合成の材料となる液体を流し、分析や化学合成を行うマイクロ流体デバイスが用いられる。

従来の分析方法やバッチ処理に比べて、溶媒やサンプル、試薬などの消費を低減させ、さらに反応速度が速いといったマイクロスケールの特長を活かしたデバイスと、それを用いた装置システムの開発が期待されている。

従来のマイクロ流体デバイスの送液方法として圧電素子を用いるものがある（非特許文献１参照）。

上記文献は、図５で示すような断面構造としている。図５において、１００はマイクロ流体デバイスである。マイクロ流体デバイス１００の内部には流路１１０が形成され、流路壁としては固定壁１２０と移動壁１３０が設けられている。そして、移動壁１３０には複数の突起部１３５が設けられており、突起部１３５にはそれぞれ圧電素子１４０が並べて設置されている。各圧電素子１４０に印加する電圧の位相を時間的にずらすことで圧電素子１４０は、図５に示すように上下方向に振動する。その結果、移動壁１３０はトラベリングウェーブ（ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｗａｖｅ）と呼ばれる状態になる。このｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｗａｖｅを利用して流路１１０内の液体を攪拌しながら送液することができる。

さらに詳しく説明すると、流路１１０内に存在する液体が図５中のｘ、ｙ方向に移動（三次元的にｚ方向にも移動）しながら、液体の移動を平均化すると結果的にｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｗａｖｅ方向に液体が移動する。所望の液送方向に進行波状のｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｗａｖｅが発生するように圧電素子１４０に印加する電圧を制御すると、液体を所望の液送方向に移動させることができる。
Ｔａｋａａｋｉ Ｓｕｚｕｋｉら、Ｔｈｅ １０ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ（μＴＡＳ２００６）ｖｏｌ．１、ｐｐ．１３１−１３３

しかしながら、上記の技術では以下のような課題があった。

ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｗａｖｅによる送液方法は、液体が液送方向に対して行ったり来たりし、結果的にｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｗａｖｅ方向へ液体が移動するものであるため、送液効率は必ずしも良いとはいえない。送液効率の向上ためには、液体の行ったり来たりを軽減することが好ましい。それにはｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｗａｖｅが低い周波数で大きな振幅をもって進むように圧電素子１４０を振動させることが好ましいが、圧電素子１４０単体の変位量が小さいためそれが困難となっている。

また、ｔｒａｖｅｌｉｎｇ ｗａｖｅを発生させるためには圧電素子１４０の数が多くなり、その数だけ信号発生器や増幅器が必要となる。そうすると、マイクロ流体デバイス１００を処理するための装置が大型化し、高コストとなる可能性がある。さらに、マイクロ流体デバイス１００に直接圧電素子１４０を設置するため、マイクロ流体デバイス１００単体の価格が上がってしまう。

そして、圧電素子１４０を設置する数の分だけマイクロ流体デバイス１００のサイズが大きくなる可能性がある。

本発明は背景技術の問題点に鑑み発明したものである。

したがって本発明は、送液効率を向上させた小型かつ、安価な送液装置および送液方法を提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明に係る液体を移動させるための送液装置は、複数の電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体と、該振動体に少なくとも２つの電圧信号を印加するための信号発生器と、を有しており、前記信号発生器から前記振動体に、以下のＡ）及びＢ）の関係を有する２つの電圧信号を供給することで、液体を移動させることを特徴とする。
Ａ）周波数及び位相が互いに同期している。
Ｂ）同じ周期および異なる位相で、互いに振幅変調している。

また、本発明に係る液体を移動させるための送液方法は、
複数の電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体に、以下のＡ）及びＢ）の関係を有する２つの電圧信号を供給することで、該振動体によって液体を移動させることを特徴とする。
Ａ）周波数及び位相が互いに同期している。
Ｂ）同じ周期および異なる位相で、互いに振幅変調している。

本発明によれば効率的な送液が可能になる。また、従来の装置に比べ装置全体を小型化し、コストを抑えることが可能となる。

以下、本発明のマイクロ流体デバイスを用いた装置システムについて実施の形態を用いて説明する。

［第一の実施形態］
本発明の第一の実施形態を、図１を用いて説明する。

図１において、１はマイクロ流体デバイスである。マイクロ流体デバイス１には流路２が設けられている。この流路２を通ってサンプルや試薬などが送液され、同時に混合攪拌や溶液中のサンプルの分離などを行うものである。３は複数の電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体となる超音波ステータで、例えば超音波モータに利用される円環状のステータを用いる。一般に円環状のステータは、超音波の定在波振動を発生する２相の発振源を有している。そして、４は位相と周波数と振幅がそれぞれ可変な電圧信号を発生可能な信号発生器、５は増幅器で、超音波ステータ３を発振させるため、信号発生器４で発生した電圧信号を第一の増幅器５ａおよび第二の増幅器５ｂで増幅して超音波ステータ３に電圧信号を与える。そして、超音波ステータ３にはマイクロ流体デバイス１の流路２の一部と超音波ステータ３とが保持部６を介して密着性を持って接触している。このときマイクロ流体デバイスは超音波振動子と保持部を介して着脱可能に保持されてもよい。また、７は搬送手段で、マイクロ流体デバイス１を保持部６まで搬送し、さらに保持部６から回収する。

通常、信号発生器４は超音波ステータ３が保持部６でマイクロ流体デバイス１を保持した状態において共振する周波数で信号を出力し、その信号を増幅器５で増幅して超音波ステータ３を発振させる。また、超音波ステータ３は電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子を有する二相の発振源（通常、各相に複数の圧電素子を有する）が構造体に備わり、信号発生器４は２つのチャンネルで同じ周波数で位相が同期した信号を出力し、それぞれのチャンネルの信号を増幅器５（第一の増幅器５ａと第二の増幅器５ｂ）で増幅する。

次に、図２を用いて、送液における信号発生器４が発生させる信号について説明する。

図２−Ａは送液時に信号発生器４が発生する２つの電圧信号波形である。２つのチャンネルの信号はそれぞれ周期的な振幅変調（ＡＭ；Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を与えた電圧信号として出力する。

図２−Ａにおいて、横軸が時間で、縦軸が電圧信号であり、実線が実際の電圧信号波形、破線が振幅変調の波形を示している。そして、図示したように２つのチャンネルの信号は互いに同じ周波数でかつ位相が同期していて、一方振幅変調に関しては位相差を設ける。図２−Ａでは第一の相の振幅変調に対して、第二の相の振幅変調の位相差が９０°の関係にあることを示している。こうすることによって、超音波ステータ３に発生する振動波は、同期した２つの信号により発生する定在波を、最大振幅の変位が一方向に移動する進行波とすることができる。そして、図２−Ｂに示したように、破線で示した従来の変形と比べて、マイクロ流体デバイス１の流路２の壁面である流路壁２ａは、振幅変調の周期に基づく低い周波数でその変形を所定方向に移動させることができる。この壁面の変形が進行することによって、流路中の液体が進行方向に押し出され、この結果液体が移動する。なお、流路壁２ａの下壁は不図示の超音波ステータ３に保持する保持部６である。また、流路壁２ａの上壁は固定壁であるかのように示したが、これには限定されず、不図示の超音波ステータ１からの振動が伝わることで、変形しても良い。

つぎに、流量あるいは流速の制御について説明する。流量あるいは流速は、発生する進行波の移動速度や周波数、あるいは進行波の振幅に起因して変化する。

本実施形態では、送液に必要な流量や流速に応じて、進行波の移動速度、周波数を制御するため、振幅変調の周波数や駆動電圧（平均振幅）を調整するとよい。なお、送液を停止するときは、その時点での振幅で一定に調整しても良く、あるいは電圧信号の供給を停止してもよい。

本発明を限定するわけではないが、超音波ステータに供給する電圧信号は、例えば電圧信号値としては１０〜２００Ｖ、超音波信号の周波数は、１０〜１ＭＨｚ、振幅変調の周波数として１０〜１０００Ｈｚ、振幅変調の変調電圧（最大振幅の変位差）１０〜２００Ｖを用いることができる。

より好ましくは、電圧信号値として２０〜５０Ｖ、超音波信号の周波数は、２０〜１００ｋＨｚ、振幅変調の周波数として５０〜５００Ｈｚ、振幅変調の変調電圧５〜５０を用いることができる。

以上のように図１の構成で、図２のような信号発生を行えば、調整された周波数で大きく変形する定在波を移動させることが可能となり、送液の効率を向上させることができる。

また、２チャンネルの信号発生器４での送液が可能となるため、装置システムを小型化かつ安価にすることができる。

そしてさらに、マイクロ流体デバイス１は保持部６に着脱可能に保持すれば、マイクロ流体デバイス１自体には送液の駆動源となる圧電素子が不要となる。したがって、マイクロ流体デバイス１のサイズを小さくすることができるとともに、マイクロ流体デバイス１を安価にすることができる。

本実施形態においては、図２に示されるように２相の円環状のステータを利用しているが、３相であっても良いし、直線状のステータでも良い。

超音波ステータの具体的な構成は、米国公開２００４／０２５６９５１号公報に開示されており、本発明はここに開示される構成も利用できる。

同期した２つの電圧信号を用いている点、および進行波の進行方向に液体を移動させる点が従来の超音波モータ技術とは大きく異なっている。

［第二の実施形態］
第一の実施形態では、振幅変調による送液方法について図１と図２を用いて説明した。第一の実施形態で説明した通り、信号発生器４は超音波ステータ３が保持部６でマイクロ流体デバイス１を保持した状態において共振する周波数で信号を出力する。その共振周波数は図３で示すように、マイクロ流体デバイス１の個体差や、保持状態によって変化することがある。第二の実施例では、より送液の効率を上げるため、超音波ステータ３が保持部６でマイクロ流体デバイス１を保持した状態において共振する周波数を決定する方法について、図４を用いて説明する。

図４は共振周波数の初期化の工程を示している。図４中、Ｓ１はマイクロ流体デバイス１を保持部６で保持する、保持の工程である。Ｓ２は信号発生器４が出力する周波数を、超音波ステータ３が保持部６でマイクロ流体デバイス１を保持した状態で共振するように設定する、周波数調整の工程である。Ｓ３は保持の工程Ｓ１から周波数調整の工程Ｓ２のリトライ数をカウントし、設定値内か設定値以上か判定する、リトライ数判定の工程である。以下、より詳しく各工程について説明する。

Ｓ１：保持の工程
搬送手段７でマイクロ流体デバイス１を搬送し、超音波ステータ３上の保持部６で保持する。

Ｓ２：周波数調整の工程
信号発生器で振幅一定の正弦波を出力し、周波数を変えながら振幅を計測する。このときの振幅は超音波ステータ３上に変位測定用の圧電素子を設け、その出力を用いれば良い。あるいは、レーザドップラ変位計のような非接触変位計を設け、振動を測定しても良い。なお、この場合の振動測定位置はマイクロ流体デバイス１でも良いし、超音波ステータ３や保持部６のような装置システムの一部でも良い。そして、振幅の最大値となる周波数を共振周波数とする。好ましくはこの工程を複数回繰り返し、共振周波数と振幅の再現性を確認するとより好ましい。Ｓ２工程を再び行なうことをリトライと呼ぶことにする。共振周波数の個体差は概ね所定の範囲に収まるはずなので、その範囲に収まっていれば、正常終了とする。そして信号発生器の信号の周波数を共振周波数に設定し、初期化完了とする。

そして、共振周波数の個体差が所定の範囲を超えた場合、次のリトライ数判定の工程（ステップＳ３）を行う。

なお、共振周波数の個体差が所定の範囲を超えた場合、直ちにリトライ数判定の工程（ステップＳ３）を行わなくても、再度共振周波数と振幅の再現性を確認し、個体差が所定の範囲に入るか確認しても良い。

Ｓ３：リトライ数判定の工程
共振周波数が個体差の範囲を超えた場合、あるいは共振周波数と振幅の再現性が低い場合、周波数調整の工程（ステップＳ２）を何回行ったか判定する。この周波数調整の工程（ステップＳ２）を実施し直した回数をリトライ数と定義する。リトライ数が設定回数よりも少ない場合は、保持部６と搬送手段７がマイクロ流体デバイス１の保持状態を解除する。そして、保持の工程（ステップＳ１）から再び行う。これは超音波ステータ３に対するマイクロ流体デバイス１の保持状態に不良が生じていることを疑っていることを意図した工程である。このような場合、保持状態の解除、再保持によって保持状態が良好になることが多い。しかしながら、リトライ数が所定回数以上の場合はマイクロ流体デバイス１の不良である可能性が高く、リトライオーバとし初期化を中止する。そして、そのマイクロ流体デバイス１は搬送手段７で回収する。

以上の初期化の工程を経ることによって、マイクロ流体デバイス１を保持部６で保持した状態で共振になる周波数への設定精度が向上するため、送液の効率をさらに上げることができる。また、周波数調整の工程（ステップＳ２）では共振周波数時の振幅がわかるため、電圧信号の出力を調整すれば、送液の流量や流速を制御することができる。

以下に本発明の効果を実証する実施例を示す。

（実施例１）
図１に示す構成の装置を作成した。マイクロ流体デバイスは、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）に流路を作成した構成である。流路の径は、厚み０．５ｍｍ幅２ｍｍの断面形状で、断面中心の直径７６ｍｍとした。作成した流路に０．２３８ｍｌの水を導入した。第１および第２の相に３０ｋＨｚの電圧信号をそれぞれ同期させて供給したところ、共振状態となり共振周波数であることを確認できた。今回作成した構成では、３０〜３２ｋＨｚを共振周波数として設定できた。

振幅変調の周波数を１００Ｈｚとし、水の流速をＰＩＶ（ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍａｇｅ ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）で測定した。１００Ｈｚでの振幅変調が発生する進行波は、２．５ｍ／ｓと計算される。入力電圧値（Ｖｃｃ）は４０Ｖとした。この結果、平均流速が１０ｍｍ／ｓの流速で液体を流すことを確認することができた。

また、振幅変調を与えず、第１および第２の３１ｋＨｚの進行波を入力電圧値４０Ｖで与えたところ、平均流速は１ｍｍ／ｓ程度であり、本発明の振幅変調を与える効果が確認できた。

第一の実施例で説明するの構成図である。 第一の実施例の振幅変調と、信号の位相関係と、そのときの壁面変形を説明する図である。 共振周波数について説明する図である。 第二の実施例の初期化の工程を説明する図である。 背景技術を説明する図である。

符号の説明

１ マイクロ流体デバイス
２ 流路
３ 超音波ステータ
４ 信号発生器
５ 増幅器
６ 保持部
７ 搬送手段

Claims (8)

1. 液体を移動させるための送液装置であって、
   複数の電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体と、該振動体に少なくとも２つの電圧信号を印加するための信号発生器と、を有しており、前記信号発生器から前記振動体に、以下のＡ）及びＢ）の関係を有する２つの電圧信号を供給することで、液体を移動させることを特徴とする送液装置。
   Ａ）周波数及び位相が互いに同期している。
   Ｂ）同じ周期および異なる位相で、互いに振幅変調している。
2. 前記送液装置は、さらに前記振動体に接する保持部を持ち、マイクロ流体デバイスの流路の一部が前記振動体と保持部を介して保持されることを特徴とする請求項１記載の送液装置。
3. 前記信号発生器が出力した信号を増幅する増幅器をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２いずれかに記載の送液装置。
4. 前記振動体が、超音波の定在波振動を発生する２相の発振源を有する超音波ステータである請求項１に記載の送液装置。
5. 液体を移動させるための送液方法であって、
   複数の電気−機械エネルギ変換素子を有する振動体に、以下のＡ）及びＢ）の関係を有する２つの電圧信号を供給することで、該振動体によって液体を移動させることを特徴とする送液方法。
   Ａ）周波数及び位相が互いに同期している。
   Ｂ）同じ周期および異なる位相で、互いに振幅変調している。
6. 前記送液方法は、
   前記振動体に接する保持部によってマイクロ流体デバイスを保持する保持工程と、
   信号発生器で振幅一定の正弦波を出力し、周波数を変えながら保持された前記マイクロ流体デバイスまたは／および装置システムの一部の振動を測定し、共振周波数を決定する周波数調整の工程と、
   をさらに有することを特徴とする請求項５記載の送液方法。
7. 前記周波数調整の工程は、さらに共振周波数を決定する工程を再び行うリトライを複数回繰り返し、共振周波数と振幅が所定の範囲に収まった場合に共振周波数を決定すること特徴とする請求項６記載の送液方法。
8. 共振周波数を決定する工程を再び行うリトライを複数回繰り返し、共振周波数と振幅が所定の範囲を超えたときは、リトライ数をカウントし、その回数が所定回数よりも少ない時には保持工程へ戻り、その回数が所定回数以上の時には保持部で保持されたマイクロ流体デバイスを搬送手段で回収するリトライ数判定の工程をさらに行うことを特徴とする請求項７記載の送液方法。

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