JP2010203349A - マイクロポンプユニット - Google Patents

Abstract

【課題】高圧力での送液及び高流量での送液を可能とするマイクロポンプユニットを得る。
【解決手段】順方向及び逆方向に送液可能な複数のマイクロポンプ10a,10b,10cを積み重ねたマイクロポンプユニット。積み重ねたマイクロポンプの流路をマイクロバルブを介して開閉可能に連結し、マイクロバルブの開閉状態の組合せに応じて並列流量モードと直列圧力モードとを切り替える。並列流量モードでは、各段のマイクロポンプが順方向又は逆方向に送液駆動されるとともに、各段のマイクロポンプの上流側に駆動液が供給されて最下段のマイクロポンプの下流側から出力される。直列圧力モードでは、奇数段のマイクロポンプが順方向又は逆方向に送液駆動されかつ偶数段のマイクロポンプが奇数段のマイクロポンプとは逆の方向で送液駆動されるとともに、最上段のマイクロポンプの上流側に駆動液が供給されて最下段のマイクロポンプの下流側から出力される。
【選択図】図３

Description

本発明は、マイクロポンプユニット、特に、微少量の液体を高精度に、順方向及び逆方向に送液が可能な複数のマイクロポンプを積み重ねたマイクロポンプユニットに関する。

近年、バイオ検査や化学分析、創薬などの分野において、マイクロマシン技術及び超微細加工技術を駆使することにより、ポンプ、バルブ、流路、センサなどを微細化して１チップ上に集積したマイクロチップ（代表的なものとしてμ−ＴＡＳ）が開発されている（特許文献１参照）。そして、ＰＯＣＴ（Point Of Care Test）への応用では、患者から採取した血液を使い捨てチップに注入し、マイクロポンプを使って送液することで、血漿分離を行ったり、予めチップ内に保持された試薬と反応させてその場で即時診断する小型可搬機器が提案されている。

粘度の高い血液から粘度の低い血漿を分離・送液し、試薬と反応させるなどの送液手段であるマイクロポンプにおいては、高粘度液体の送液に必要とされる高い送液圧力と、検査時間を短縮するために高い流量との切替えが要求されている。さらに、診断精度を高めるうえで、検体・試薬混合精度を確保するための高精度な送液能力が必要とされている。従来から送液手段として使用されているシリンジポンプでは、圧力／流量を両立する条件を満たそうとすると、ポンプ自身が大型化し、小型可搬機器としての実現が困難であった。

そこで、マイクロチップに使用されるマイクロポンプとして、圧電素子によって駆動されるダイヤフラムを備えたものが提案されている（特許文献２，３，４参照）。特許文献２には、マイクロポンプ単体を並列接続、直列接続することにより、故障時の予備ポンプとして使用することや、脈動を低減することが記載されている。特許文献３には、ディフューザ型ポンプの吸引／吐出サイクルの効率改善を目的としてポンプ室を連結して流路を構成することが記載されている。特許文献４には、複数のポンプを並列接続し、駆動するポンプ数を変更することで流量を制御することが記載されている。しかし、いずれの文献２，３，４においても、双方向送液による送液方向の切替えやポンプ特性の切替えに関しては言及されていない。

特開２００４−２８５８９号公報 特開２００５−３０２１３号公報 特開２００５−２９９５９７号公報 特開２００６−４７８５号公報

そこで、本発明の目的は、小型で高精度な送液が可能であるのみならず、高圧力での送液及び高流量での送液の併用を可能とするマイクロポンプユニットを提供することにある。

以上の目的を達成するため、本発明の一形態であるマイクロポンプユニットは、
順方向及び逆方向に送液が可能な複数のマイクロポンプを積み重ねたマイクロポンプユニットにおいて、
積み重ねた前記マイクロポンプの流路をマイクロバルブを介して開閉可能に連結し、
前記マイクロバルブの開閉状態の組合せに応じて並列流量モードと直列圧力モードとを切り替えること、
を特徴とする。

本発明によれば、並列流量モードに切り替えた場合、複数段のマイクロポンプのそれぞれの上流側から駆動液が供給されて一のマイクロポンプの下流側から出力される。これにて、高流量での送液が可能となる。一方、直列圧力モードに切り替えた場合、最上段のマイクロポンプの上流側から駆動液が供給され、この駆動液は複数段のマイクロポンプを送液方向を順次逆方向に変えつつ最下段のマイクロポンプから出力される。これにて、高圧力での送液が可能となる。

マイクロポンプの一例における順方向送液の動作原理を示す説明図である。 マイクロポンプの一例における逆方向送液の動作原理を示す説明図である。 本発明に係るマイクロポンプユニットの第１実施例を示す断面図であり、（Ａ）は直列圧力モードでの動作時を示し、（Ｂ）は並列流量モードでの動作時を示している。 前記第１実施例での送液を模式的に示し、（Ａ）は直列圧力モードでの動作時を示し、（Ｂ）は並列流量モードでの動作時を示している。 前記第１実施例での逆方向の送液を模式的に示し、（Ａ）は直列圧力モードでの動作時を示し、（Ｂ）は並列流量モードでの動作時を示している。 マイクロポンプユニットにおける圧力／流量特性を示すグラフである。 本発明に係るマイクロポンプユニットの第２実施例を模式的に示し、（Ａ）は直列圧力モードでの動作時を示し、（Ｂ）は並列流量モードでの動作時を示している。 本発明に係るマイクロポンプユニットの基本的構成を示す模式図である。 前記第１実施例において一のマイクロポンプのみを使用した場合の送液状態を示す模式図である。 三方向マイクロバルブの動作状態を示す説明図である。 マイクロポンプユニットを備えたマイクロチップを示す概略平面図である。

以下、本発明に係るマイクロポンプユニットの実施例について、添付図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部材、部分には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

（マイクロポンプの基本構成と動作原理、図１及び図２参照）
まず、本発明に係るマイクロポンプユニットを構成するマイクロポンプの一例の基本構成とその動作原理について図１及び図２を参照して説明する。

マイクロポンプは、ガラスなどからなる基板１１とシリコンなどからなる基板２０とを接合して構成されている。基板２０にはエッチングによってチャンバ２１、絞り流路２２，２３が形成されている。絞り流路２２は絞り流路２３よりも流路長が短い。チャンバ２１の裏面にはアクチュエータとしての圧電素子３０が貼り付けられており、チャンバ２１を構成する薄膜部分がダイヤフラムとして機能する。

具体的な寸法の一例を示すと、基板２０の厚さは２００μｍ、チャンバ２１を構成する薄膜ダイヤフラムの厚さは３０μｍ、絞り流路２２，２３の隙間は２５μｍである。

このマイクロポンプは、概念的には、チャンバ２１の両端部にそれぞれ流路抵抗が差圧に応じて変化する絞り流路２２，２３を有し、絞り流路２２の流路抵抗の変化の割合は絞り流路２３の流路抵抗の変化の割合よりも大きく、圧電素子３０によってチャンバ２１内の液体を加圧する時間が減圧する時間よりも短い第１のパターンで繰り返して加圧、減圧することによって液体を絞り流路２２から絞り流路２３に向かって送液する（順方向送液、図１参照）。また、圧電素子３０によってチャンバ２１内の液体を加圧する時間が減圧する時間よりも長い第２のパターンで繰り返して加圧、減圧することによって液体を絞り流路２３から絞り流路２２に向かって送液する（逆方向送液、図２参照）。

具体的には、図１は順方向の送液状態（第１のパターン）を示し、（Ａ）に示す波形の電圧を圧電素子３０に印加することにより、チャンバ２１内の液体を速く加圧すると、絞り流路２２では乱流が発生して流路抵抗が大きくなり、液体はチャンバ２１から絞り流路２３を通じて排出される。そして、チャンバ２１内の液体を遅く減圧することにより、流路抵抗が小さい絞り流路２２を通じて液体がチャンバ２１内に導入される。

図２は逆方向の送液状態（第２のパターン）を示し、（Ａ）に示す波形の電圧を圧電素子３０に印加することにより、チャンバ２１内の液体を遅く加圧すると、流路抵抗が小さい絞り流路２２を通じて液体がチャンバ２１から排出される。そして、チャンバ２１内の液体を速く減圧することにより、絞り流路２２では乱流が発生して流路抵抗が大きくなり、液体は絞り流路２３を通じてチャンバ２１内に導入される。

（マイクロポンプユニットの第１実施例、図３〜図５参照）
本発明に係るマイクロポンプユニットの第１実施例を図３に示す。このマイクロポンプユニット１０は、マイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃを３段に積み重ねたもので、各マイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃは前記基板１１，２０からなり、チャンバ２１、絞り流路２２，２３が形成され、圧電素子３０を有している。さらに、各マイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの基板１１には流路１２，１３が形成され、基板２０には連通路２４，２５が形成されている。なお、最下段のマイクロポンプ１０ｃの基板２０には連通路２５が形成されていない。

また、最上段のマイクロポンプ１０ａの基板１１には流路１２，１３に対向した位置に二方向マイクロバルブ３１，３２が配置されている。中段及び最下段のマイクロポンプ１０ｂ，１０ｃの基板１１には流路１２，１３に対向した三方向マイクロバルブ３３，３４，３５，３６が配置されている。

前記マイクロバルブ３１〜３６に関しては、例えば、特開２００７−３０３６５９号公報に記載のマイクロ電磁バルブを好適に用いることができる。三方向マイクロバルブ３３〜３６に関しては、図１０に示す動作を行うものである。即ち、流路構成体８０に設けた弁体８１が、図１０（Ａ）に示す原点位置にあるとき流路は左右方向と下方に連通し、弁体８１が図１０（Ｂ）に示す回転位置にあるとき流路は左方と下方に連通し、図１０（Ｃ）に示す回転位置にあるとき流路は右方と下方に連通し、図１０（Ｄ）に示す回転位置にあるとき流路は左右方向に連通する。また、弁体８１が図１０（Ｅ）に示す回転位置にあるとき全ての流路は閉じられる。

マイクロポンプユニット１０において、直列圧力モードで動作させる際には、図３（Ａ）に示すように、各マイクロバルブ３１〜３６を以下のように切り替える。マイクロバルブ３１は図示しない駆動液源と流路１２を連通させる。マイクロバルブ３２，３３は閉じられる。マイクロバルブ３４は最上段のマイクロポンプ１０ａの連通路２５と中段のマイクロポンプ１０ｂの流路１３を連通させる。マイクロバルブ３５は中段のマイクロポンプ１０ｂの連通路２４と最下段のマイクロポンプ１０ｃの連通路２４を連通させる。マイクロバルブ３６は最下段のマイクロポンプ１０ｃの流路１３と図示しない出力流路を連通させる。

各マイクロバルブ３１〜３６を以上のように切り替えたうえで、マイクロポンプ１０ａ，１０ｃを図１に示した順方向に駆動し、マイクロポンプ１０ｂを図２に示した逆方向に駆動する。これにて、図３（Ａ）に矢印で示すように、駆動液はマイクロバルブ３１から最上段のマイクロポンプ１０ａに導入され、順方向に送液されてマイクロバルブ３４を介して中段のマイクロポンプ１０ｂに送られ逆方向に送液される。さらに、駆動液はマイクロバルブ３５を介して最下段のマイクロポンプ１０ｃに送られ順方向に送液され、マイクロバルブ３６から出力される。

一方、マイクロポンプユニット１０を並列流量モードで動作させる際には、図３（Ｂ）に示すように、各マイクロバルブ３１〜３６を以下のように切り替える。各マイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃのマイクロバルブ３１，３３，３５をそれぞれ図示しない駆動液源と流路１２を連通させる。マイクロバルブ３２は閉じられる。マイクロバルブ３４は最上段のマイクロポンプ１０ａの連通路２５と中段のマイクロポンプ１０ｂの流路１３を連通させる。マイクロバルブ３６は中段のマイクロポンプ１０ｂの連通路２５と最下段のマイクロポンプ１０ｃの流路１３とを図示しない出力流路と連通させる。

各マイクロバルブ３１〜３６を以上のように切り替えたうえで、マイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃを図１に示した順方向に駆動する。これにて、図３（Ｂ）に矢印で示すように、駆動液はマイクロバルブ３１，３３，３５からそれぞれのマイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃに導入され、順方向に送液される。そして、最上段のマイクロポンプ１０ａを順方向に送液された駆動液はマイクロバルブ３４を介して中段のマイクロポンプ１０ｂに送られ、該ポンプ１０ｂを順方向に送液された駆動液及び最下段のマイクロポンプ１０ｃを順方向に送液された駆動液とともにマイクロバルブ３６から出力される。

ここで、直列圧力モードでは、奇数段のマイクロポンプが順方向又は逆方向のいずれかで送液駆動されかつ偶数段のマイクロポンプが奇数段のマイクロポンプとは逆の方向で送液駆動されるとともに、最上段のマイクロポンプの上流側に駆動液が供給されて最下段のマイクロポンプの下流側から出力される。

一方、並列流量モードでは、各段のマイクロポンプが順方向又は逆方向のいずれか一方向で送液駆動されるとともに、各段のマイクロポンプの上流側に駆動液が供給されて最下段のマイクロポンプの下流側から出力される。

図４は前述のごとく左方から右方へと送液する動作における各マイクロバルブ３１〜３６の開閉状態を模式的に示している。

また、マイクロポンプユニット１０においては、直列圧力モードではマイクロバルブ３２から駆動液を導入し、各マイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃを図３（Ａ）とは順方向、逆方向を反対にして駆動し、マイクロバルブ３５から出力するようにしてもよい。また、並列流量モードでは各マイクロバルブ３２，３４，３６から駆動液を導入し、各マイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃを逆方向に駆動し、マイクロバルブ３５から出力するようにしてもよい。

図５はこのように右方から左方へと逆方向に送液する動作における各マイクロバルブ３１〜３６の開閉状態を模式的に示している。

（圧力／流量特性、図６参照）
各マイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの単体での圧力／流量特性は図６のラインＸ１に示すように、流量は圧力に反比例する。図３（Ａ）に示す直列圧力モードでは三つのマイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃが直列接続されているため、図６のラインＸ２に示すように、圧力がほぼ３倍となる。図３（Ｂ）に示す並列流量モードでは三つのマイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃが並列接続されているため、図６のラインＸ３に示すように、流量がほぼ３倍となる。

（マイクロポンプユニットの第２実施例、図７参照）
本発明に係るマイクロポンプユニットの第２実施例を図７に模式的に示す。このマイクロポンプユニット１０は、前記第１実施例と同様に、マイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃを３段に積み重ねたものであり、流路構成などは第１実施例と同様である。バルブ３１は開口として形成され、バルブ３２は栓として形成されている。バルブ３３は二方向マイクロバルブであり、バルブ３４は貫通している。バルブ３５，３６は三方向マイクロバルブである。

本第２実施例において、直列圧力モードで動作させる際には、図７（Ａ）に示すように、マイクロバルブ３５は中段のマイクロポンプ１０ｂの連通路と最下段のマイクロポンプ１０ｃの連通路を連通するように切り替える。マイクロバルブ３６は最下段のマイクロポンプ１０ｃの流路と図示しない出力流路を連通するように切り替える。この状態で、マイクロポンプ１０ａ，１０ｃを図１に示した順方向に駆動し、マイクロポンプ１０ｂを図２に示した逆方向に駆動する。これにて、図７（Ａ）に矢印で示すように、駆動液はバルブ３１から導入されて直列圧力モードで送液され、マイクロバルブ３６から出力される。

一方、並列流量モードで動作させる際には、図７（Ｂ）に示すように、バルブ３１，３３，３５をそれぞれ図示しない駆動液源に連通させ、マイクロバルブ３６を中段のマイクロポンプ１０ｂの連通路と最下段のマイクロポンプ１０ｃの流路とを図示しない出力流路と連通させる。この状態で、マイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃを図１に示した順方向に駆動する。これにて、図７（Ｂ）に矢印で示すように、駆動液はバルブ３１，３３，３５からそれぞれのマイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃに導入され、順方向に送液される。そして、最上段のマイクロポンプ１０ａを順方向に送液された駆動液はバルブ３４を介して中段のマイクロポンプ１０ｂに送られ、該ポンプ１０ｂを順方向に送液された駆動液及び最下段のマイクロポンプ１０ｃを順方向に送液された駆動液とともにマイクロバルブ３６から出力される。

（マイクロポンプユニットの基本的構成、図８参照）
ここで、本発明に係るマイクロポンプユニットの基本的構成は図８のように模式的に示すことができる。即ち、マイクロポンプ１０ａ，１０ｂ，１０ｃに設けたバルブ３１〜３６は、少なくとも最下段のマイクロポンプ１０ｃのバルブ３５，３６が三方向バルブであればよく、バルブ３１は単純開口、バルブ３２は栓、バルブ３３は二方向バルブ、バルブ３４は単純貫通であればよい。第１実施例は、バルブ３１，３２を二方向バルブとし、バルブ３３〜３６を三方向バルブとしたものである。第２実施例は、バルブ３１を単純開口とし、バルブ３２を栓とし、バルブ３３を二方向バルブとし、バルブ３４を単純貫通とし、バルブ３５，３６を三方向バルブとしたものである。

（単一のマイクロポンプの使用、図９参照）
前記第１実施例において、バルブ３１〜３６を図９に示すように切り替えた場合、最上段のマイクロポンプ１０ａのみを順方向に駆動すると、矢印で示すようにマイクロポンプ１０ａのみを使用して送液することができる。マイクロポンプ１０ａを逆方向に駆動すると矢印とは逆方向に送液することも可能である。当然、バルブ３１〜３６を適宜切り替えることにより、中段のマイクロポンプ１０ｂや最下段のマイクロポンプ１０ｃのみを使用した送液も可能である。

（マイクロチップ、図１１参照）
次に、前記マイクロポンプユニット１０を組み込んだマイクロチップについて図１１を参照して説明する。このマイクロチップ５０は、血液診断用であり、基板５１上に微細流路５２（例えば、幅約２００μｍ、深さ約１００μｍ）が図１１中左上から右方にＵターン形状に形成されている。微細流路５２の始端部には、温度調整された駆動液（通常は水）の貯留部５３が設けられ、該貯留部５３に隣接してマイクロポンプユニット１０が配置されている。その下流側には、送液方向Ａに沿って、洗浄液の貯留部５４、２次抗体（標準試薬）の貯留部５５、検体（血液）の貯留部５６、分離部５７、検出部５８が設けられている。また、分離部５７及び検出部５８からは廃棄部６１，６２が分岐している。

マイクロチップ５０において、マイクロポンプユニット１０を駆動することで、駆動液は微細流路を矢印Ａ方向に送液され、洗浄液、２次抗体及び検体（血液）と混合され、分離部５７で血漿を分離される。分離された血漿は検出部５８で反応し固定化され、かつ、検出される。ここでは、貯留部５４から貯留部５６の直前までの領域Ｙ１を送液するときは、マイクロポンプユニット１０を流量の高い並列流量モードに切り替えて駆動する。貯留部５６から分離部５７を含む領域Ｙ２を送液するときは、マイクロポンプユニット１０を圧力の高い直列圧力モードに切り替えて駆動する。これにて、小型で高精度な送液が可能なマイクロポンプユニット１０を使用して、高流量での送液及び高圧力での送液を併用した最適なモードでの送液を実現できる。

なお、本発明に係るマイクロポンプユニットは前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。

特に、マイクロポンプ単体の構成の細部、マイクロチップの微細流路の形状、各貯留部の配置などは任意である。また、マイクロバルブは種々の構成のものを採用してもよい。さらに、前記実施例において、流入口は最上段、流出口は最下段となっているが、これに限定されず、マイクロバルブを適宜切り替えることにより、流入口を中段又は最下段に設けたり、流出口を中段又は最上段に設けることも可能である。

以上のように、本発明は、マイクロポンプユニットに有用であり、特に、小型で高精度な送液が可能であるのみならず、高圧力での送液及び高流量での送液の併用を可能とする点で優れている。

１０…マイクロポンプユニット
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…マイクロポンプ
２１…チャンバ
２２，２３…絞り流路
３１〜３６…マイクロバルブ

Claims (5)

1. 順方向及び逆方向に送液が可能な複数のマイクロポンプを積み重ねたマイクロポンプユニットにおいて、
   積み重ねた前記マイクロポンプの流路をマイクロバルブを介して開閉可能に連結し、
   前記マイクロバルブの開閉状態の組合せに応じて並列流量モードと直列圧力モードとを切り替えること、
   を特徴とするマイクロポンプユニット。
2. 少なくとも最下段のマイクロポンプの上流側及び下流側に配置したマイクロバルブは三方向バルブであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプユニット。
3. 最上段のマイクロポンプの上流側及び下流側に配置したマイクロバルブは二方向バルブであり、その他のマイクロポンプの上流側及び下流側に配置したマイクロバルブは三方向バルブであること、を特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプユニット。
4. 並列流量モードにおいては、各段のマイクロポンプが順方向又は逆方向のいずれか一方向で送液駆動されるとともに、各段のマイクロポンプの上流側に駆動液が供給されて最下段のマイクロポンプの下流側から出力されること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のマイクロポンプユニット。
5. 直列圧力モードにおいては、奇数段のマイクロポンプが順方向又は逆方向のいずれかで送液駆動されかつ偶数段のマイクロポンプが奇数段のマイクロポンプとは逆の方向で送液駆動されるとともに、最上段のマイクロポンプの上流側に駆動液が供給されて最下段のマイクロポンプの下流側から出力されること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のマイクロポンプユニット。

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