JP2011067745A - 流路基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータリー式切替えバルブが組み込まれた流路基板を処理する装置において、基板とロータとの間に挟み込まれているシール板のずれを抑制してポートと流路の良好な接続を維持する。
【解決手段】ロータ６を回転駆動するためのロータ回転機構１８は制御部２６により制御されている。制御部２６は、ロータ６の回転による流路接続の切替えの全行程を通してロータ６が連続で一方向へ限界回転角度以上回転することなく流路接続の切替え動作を行なうようにロータ回転機構１８を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、流路が形成されているとともに、その流路の接続を切り替えることができるロータリー式切替えバルブが組み込まれている流路基板を処理するための流路基板処理装置に関するものである。

生化学的分析や通常の化学分析に使用する小型の反応装置としては、マイクロマルチチャンバ装置が使用されている。そのような装置としては、例えば平板状の基板表面に複数のウエルを形成したマイクロータイタープレートなどのマイクロウエル反応容器プレートが用いられている（例えば特許文献１を参照。）。

しかし、従来のマイクロウエル反応容器プレートは、使用時には反応容器プレートの上面は大気に開放された状態となる。そのため、サンプルに外部から異物が進入する恐れがあるし、逆に反応生成物が外部の環境を汚染することもありうる。

そこで、反応容器やサンプル容器のほか、それらに繋がる流路や液体の吸引及び吐出を行なうシリンジ、シリンジを反応容器又はサンプル容器に繋がる流路に切り替えて接続するロータリー式の切替えバルブを１枚のプレートに集積して反応容器プレート内を密閉系にすることが提案されている（特許文献２参照。）。このような内部に流路を備えた反応容器プレートなどのプレートを総称して流路基板と呼ぶ。

図１に本発明も適用される流路基板を処理する装置の一例を概略的に示す。
この例の装置で処理する流路基板は、ベース基板２の裏面側にステータ４を介してロータリー式切替えバルブのロータ６が回転可能に固定されたものである。ベース基板２に反応容器やサンプル容器、試薬容器が設けられているとともに一端がそれらに繋がる流路３２，３６，４０が内部に形成されている。流路３２，３６，４０の他端はステータ４の下面に引き出されてポート３０，３４，３８を形成しており、ステータ４の下面はロータ６の回転によってポート３０，３４，３８への接続を切り替える流路接続面となっている。ロータ６は中心に上方へ突き出した回転軸を備え、その回転軸内に液体の吸引・吐出を行なうシリンジ７が設けられている。ロータ６の回転軸はベース基板２の穴に挿入され、回転軸の周囲部上面がステータ４の流路接続面との摺動面となっている。ロータ６はシリンジ７の底部に一端が接続され他端が流路接続面との摺動面に引き出された接続流路８を備えている。流路接続面のポート３０，３４，３８はロータ６の摺動面に面する接続流路８の他端の回転軌道上にくるように配置され、ロータ６を回転させることによって接続流路８の他端の接続先をポート３０，３４，３８のいずれかに切り替えることができる。

上記の流路基板を処理する装置は、ロータ６を駆動するためのロータ回転機構１８を備えている。ロータ回転機構１８はモータで回転駆動する回転駆動部１４を備えている。回転駆動部１４はロータ６の下面中央に設けられた溝１２に嵌め込まれてロータ６を回転させるものである。ロータ６による流路接続は、ロータ６の原点位置からの回転角度で制御する。そのためロータ６の原点位置を検出する原点センサ２０が設けられている。

特開２００５−１７７７４９号公報 ＷＯ２００８／０９６４９２号公報

ロータ６の駆動において、ロータ６の下面の溝１２と回転駆動部１４との間には隙間があり、ロータ６を前回の方向とは逆の方向へ回転させるとバックラッシュが生じ、その分だけロータ６の回転角度は回転駆動部１４の回転角度よりも小さくなる。そのため、バックラッシュが生じないようにロータ６を一方向へのみ回転させるように制御していたが、流路接続の切替え回数が多いとその全行程を通してロータ６を何回転もさせる必要があった。例えばシリンジ７を試薬容器、サンプル容器、反応容器に順に接続する工程をすべてロータ６を時計回りに回転させることで行なうと、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示されているように、この一連の動作だけでロータは１回転以上することになる。

図６（Ａ）に示されているように、ステータ４の下面側にロータ６の流路接続面との間の密着性を高めるための弾性材料からなるシール板１０が設けられている。シール板１０のポート３０，３４，３８に対応する位置にはそれぞれ穴１０ａが設けられている。シール板１０は、例えばステータ４の下面に設けられた凸部がシール板１０の上面に設けられた凹部に嵌め込まれることによってロータ６の回転に伴って回転しないようにステータ４側に固定されているが、ロータ６が一方向へ連続で何回転もすると、図６（Ｂ）のように、摩擦によってロータ６の回転方向へ回転して穴１０ａがステータ４のポート３０，３４又は３８の位置からずれ、ロータ６を所定角度回転させても接続流路８を所望のポート３０，３４又は３８に接続できなことがあった。

そこで本発明は、ロータリー式切替えバルブが組み込まれた流路基板を処理する装置において、基板とロータとの間に挟み込まれているシール板のずれを抑制してポートと流路の良好な接続を維持することを目的とするものである。

本発明の流路基板処理装置は、流路が内部に形成され各流路の一端が接続ポートとして引き出されて配置された流路接続面をもつベース基板と、前記ベース基板に回転可能に取り付けられ、流路接続面との摺動面に一端が引き出された接続流路を備えたロータと、流路接続面と摺動面との間に挟み込まれ流路接続面側又は摺動面側に固定されたシール板と、を備えた流路基板を処理するための流路基板処理装置であって、ロータに係合する回転駆動部をもち、その回転駆動部を回転させることによりロータを回転させるロータ回転機構と、ロータが一方向へ続けて限界回転角度以上回転しないように回転方向を反転させながら流路接続の切替え動作を行なう制御部と、を備え、制御部は、ロータを前回の回転方向から反転させるときはロータを回転させるべき所定の角度よりも一定角度だけ大きく回転駆動部を回転させた後でさらに回転駆動部を一定角度だけ反転させるようにロータ回転機構を制御することを特徴とする。

限界回転角度とは、流路接続面と摺動面との間に挟み込まれたシール板のずれ量が流路接続に影響を及ぼさない限界のロータの回転角度を意味する。これまでの経験から、ロータの回転量が１回転未満であればシール板のずれによる流路接続の影響がほとんどないことが分かっている。したがって、上記限界回転角度を３６０°と規定することができる。このように規定しておけば、シール板のずれを流路接続に影響がない範囲に止めることができる。

本発明の流路基板処理装置は、ロータが一方向へ限界回転角度以上回転することなく流路接続の切替え動作を行なうようにロータ回転機構を制御するので、ロータが一方向へ何回転もする場合に比べて流路接続面と摺動面との間に挟み込まれたシール板がずれにくくなり、接続流路と各ポートとの良好な接続を維持することができる。ただし、ロータを前回の回転方向とは逆方向へ回転させるとバックラッシュが発生する。そのため、本発明では、ロータを前回の回転方向から反転させるときに、回転駆動部を、ロータを回転させるべき所定の角度よりも一定角度だけ大きく回転させた後でさらに同じ一定角度だけ反転させる。これにより、バックラッシュに相当する回転角度のずれが両回転方向に入るために相殺され、バックラッシュによる回転誤差が解消される。

流路基板処理装置の一例を示す図であり、（Ａ）は流路基板の断面とともに示すブロック図、（Ｂ）は流路基板のロータ部分の裏面側を回転駆動部とともに示す平面図である。 一実施例の流路基板処理装置によるサンプルの反応容器への注入作業時における流路切替え工程の一例を順に示す流路基板のロータ部分の裏面図である。 図２の続きの工程を示す図である。 同実施例のサンプルの反応容器への注入作業時の動作を示すフローチャート図である。 従来の流路基板処理装置によるサンプルの反応容器への注入作業時における流路切替え工程の一例を順に示す流路基板のロータ部分の裏面図である。 流路切替えバルブの流路接続部分の回転方向における断面図である。

流路基板処理装置の一例を図１を参照しながら説明する。
まず、この実施例の装置で処理する流路基板について説明する。この流路基板は、ベース基板２の裏面側にステータ４を介してロータ６が回転可能に固定されたものである。ステータ４とロータ６はロータリー式切替えバルブを構成する。ベース基板２には反応容器、サンプル容器、試薬容器が設けられている。さらにベース基板２には一端が反応容器に繋がる流路３２、一端がサンプル容器に繋がる流路３６及び一端が試薬容器に繋がる流路４０が内部に形成されており、これらの流路の他端がステータ４の下面に引き出されてポート３０，３４，３８を形成している。ステータ４の下面はロータ６の回転によってポート３０，３４，３８への接続を切り替える流路接続面となっている。

ロータ６は中心に上方へ突き出した回転軸を備え、その回転軸内に液体の吸引・吐出を行なうシリンジ７が設けられている。ロータ６の回転軸はベース基板２に設けられた穴に挿入され、回転軸の周囲部上面がステータ４の流路接続面との摺動面となっている。ロータ６はシリンジ７の底部に一端が接続され他端が摺動面に引き出された接続流路８を備えている。流路接続面のポート３０，３４，３８はロータ６の摺動面に面する接続流路８の他端の回転軌道上に配置され、ロータ６の回転角度を制御することによって接続流路８の他端の接続先をポート３０，３４，３８のいずれかに切り替えることができる。

ステータ４の流路接続面とロータ６の摺動面との間に両面の密着性を高めるための弾性材料からなるシール板１０が挟み込まれている。図６（Ａ）に示されているように、シール板１０のポート３０，３４，３８に対応する位置にはそれぞれ穴１０ａが設けられている。図示は省略されているが、シール板１０は例えばステータ４の下面に設けられた凸部がシール板１０の上面に設けられた凹部に嵌め込まれることによってロータ６の回転に伴って回転しないようにステータ４側に固定されている。

上記の流路基板を処理する装置は、ロータ６を駆動するためのロータ回転機構１８と、シリンジ７のプランジャ９を駆動するためのプランジャ駆動機構２２を備えている。
ロータ回転機構１８はモータで回転駆動する回転駆動部１４を備えている。回転駆動部１４はロータ６の下面中央に設けられた溝１２に嵌め込まれてロータ６を回転させるものである。ロータ６による流路接続は、ロータ６の原点位置からの回転角度で制御する。そのためロータ６の原点位置を検出する原点センサ２０が設けられている。原点センサ２０は、例えばフォトセンサである。この実施例では、ロータ６の原点位置を図１（Ｂ）の状態とする。

プランジャ駆動機構２２はプランジャ９を掴んで上下動するプランジャ駆動部１６を備え、プランジャ駆動部１６の原点位置からの下降量又は上昇量によってシリンジ７による液体の吸引量又は吐出量を制御する。プランジャ９の近傍にプランジャ９の原点位置を検出する原点センサ２４が設けられている。原点センサ２４は、例えばフォトセンサである。

ロータ回転機構１８及びプランジャ駆動機構２２は制御部２６によって制御されている。制御部２６はこの流路基板を処理する全行程を通してロータ６が限界回転角度以上することなくロータ６による流路接続の切替えが行なわれるようにロータ回転機構１８を制御する。限界回転角度は、ステータ４側に固定されているシール板１０がロータ６の回転に伴う摩擦でずれない限界のロータ６の回転角度である。この実施例では、限界回転角度を３６０°（１回転）とする。なお、シール板１０の材質やシール板１０の固定方法によってシール板１０のずれが生じやすい場合には、限界回転角度を例えば１８０°など３６０°よりも小さい回転角度としてもよい。

サンプルの反応容器への注入時のロータ回転機構１８及びプランジャ駆動機構２２の動作を図２〜図４を用いて説明する。なお、図２、図３において、ロータ６の回転方向は時計回りを順方向とし、反時計回りを逆方向とする。
まず、ロータ６を順方向へ回転させながら原点位置を調整する（図２（Ａ）、ステップＳ１）。次に、回転駆動部１４を所定の角度（例えば９０°）順方向に回転させて、接続流路８を試薬容器接続ポート３８に接続する（図２（Ｂ）、ステップＳ２）。プランジャ９を引き上げてシリンジ７内に反応試薬を所定量吸引する（ステップＳ３）。

反応試薬を吸引した後、回転駆動部１４を所定の角度（例えば４５°）順方向に回転させ、接続流路８をサンプル容器接続ポート３４に接続する（図２（Ｃ）、ステップＳ４）。プランジャ９を押し下げてシリンジ７内の反応試薬をサンプル容器に注入する（ステップＳ５）。プランジャ９を複数回、例えば２〜３回、上下動させてシリンジ７によるサンプル容器内の液体の吸引と吐出を繰り返し、サンプル容器内の攪拌を行なう（ステップＳ６）。

サンプル容器内の攪拌後、プランジャ９を引き上げてサンプル容器内のサンプル溶液をシリンジ７内に吸引する（ステップＳ７）。回転駆動部１４を、接続流路８を反応容器接続ポート３０に接続するための回転角度よりも一定角度（例えば１５°）だけ大きく逆方向へ回転させた後（図３（Ｄ）、ステップＳ８）、回転駆動部１４を順方向へ同じ一定角度だけ回転させて接続流路８を反応容器接続ポート３０に接続し（図３（Ｅ）、ステップＳ９）、プランジャ９を押し下げてシリンジ７内のサンプル溶液を反応容器に注入する（ステップＳ１０）。

上記の試料分注動作をロータ６を順方向にのみ回転させることによって行なうと、接続流路８を反応容器接続ポート３０に接続した時点でロータ６が連続して３６０°以上回転したことになり、ステータ４とロータ６との間に挟み込まれているシール板１０が摩擦によってロータ６とともに回転してずれる可能性がある。これに対し、上記の例では、ロータ６を限界回転角度である３６０°以上回転させないため、シール板１０のずれが抑制され、接続流路８と反応容器接続ポート３０とを良好に接続することができる。

また、ロータ６を一方向に３６０°以上回転させないため逆方向への回転も必要となるが、逆方向への回転の際はバックラッシュを考慮した一定角度だけ大きく逆方向へ回転させた後、さらに同じ一定角度だけ戻す動作を行なうため、両方向への回転動作時にバックラッシュによる同じ大きさの回転角度の誤差が生じ、それらの回転誤差が相殺されてバックラッシュによる影響がなくなる。したがって、ロータ６を逆方向へ回転させたとしても、正確に所望のポートの位置に接続流路８を合わせることができる。

流路切替え工程ごとのロータ６の回転方向は予め制御部２６内に規定されたものであってもよいし、制御部２６が各流路切替え工程に必要なロータ６の回転角度に基づいて一方向への回転角度が限界回転角度を超えるか否かを判断し、超えると判断した場合には逆方向へロータ６を回転させるように構成されていてもよい。

なお、このようにロータ回転方向を規定した流路基板処理装置は、ロータ６とシリンジ７とが一体となった上記実施例の流路基板にのみ適用されるものではなく、シリンジがベース基板に別途設けられている流路基板やシリンジが搭載されていない流路基板に対しても適用することができる。

２ ベース基板
４ ステータ
６ ロータ
８ 接続流路
９ プランジャ
１０ シール板
１２ 溝
１４ 回転駆動部
１６ プランジャ駆動部
１８ ロータ回転機構
２０，２４ 原点センサ
２２ プランジャ駆動機構
２６ 制御部
３０，３４，３８ ポート
３２，３６，４０ 流路

Claims (2)

1. 流路が内部に形成され各流路の一端が接続ポートとして引き出されて配置された流路接続面をもつベース基板と、前記ベース基板に回転可能に取り付けられ、前記流路接続面との摺動面に一端が引き出された接続流路を備えたロータと、前記流路接続面と摺動面との間に挟み込まれ流路接続面側又は摺動面側に固定されたシール板と、を備えた流路基板を処理するための流路基板処理装置において、
   前記ロータに係合する回転駆動部をもち、その回転駆動部を回転させることによりロータを回転させるロータ回転機構と、
   前記ロータが一方向へ続けて限界回転角度以上回転しないように回転方向を反転させながら流路接続の切替え動作を行なう制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記ロータを前回の回転方向から反転させるときは前記ロータを回転させるべき所定の角度よりも一定角度だけ大きく前記回転駆動部を回転させた後でさらに回転駆動部を前記一定角度だけ反転させるように前記ロータ回転機構を制御することを特徴とする流路基板処理装置。
2. 前記限界回転角度は３６０°である請求項１に記載の流路基板処理装置。

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