JP2024516093A - 流体分配システム - Google Patents

Abstract

ポンプヘッドに動作可能に接続されたステッピングモータを有するポンプを含む、流体を分配するためのシステム及び方法に関する。ポンプヘッドは入口及び出口を有している。入口は、流体リザーバに流体連通するように構成されている。制御装置は、モータに動作可能に接続されている。制御装置はモータを駆動し、ステッピングモータの速度及び加速度は、分配チップと分配された流体との間の付着を回避するように選択されている。疎水性材料で形成された分配チップは、ポンプヘッドの出口と流体連通している。

Description

本出願は、２０２１年４月８日に出願された米国仮特許出願第６３／１７２，２７１号に対する優先権の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、流体分配システム（fluid dispensing system）に関し、より詳細には、流体分配容量の正確な制御のためのシステムに関する。

回転往復ポンプ（rotating, reciprocating pump）は、歴史的に、流体容量を１マイクロリットルまで分配できている。流体は、典型的には、分配チップから液滴（droplet）で分配される。しかしながら、分配された液滴は、典型的には、分配チップから放出及び落下することができるようにするために、更なる介入（intervention）を必要としている。そのような介入は、分配チップを液体に浸漬させる（submerge）ためのものであっても良く、または分配チップを外部表面と接触させて液滴を放出させるためのものであっても良い。空気中にある間に、分配チップから良好に離脱する最小分配容量（smallest dispense volume）は、約１０マイクロリットルであるとされている。

熱を使用して分配する圧電インクジェット、及びＢｉｏＤｏｔ（登録商標）システムのような他の既存の分配技術は、空気中で１マイクロリットル以下の流体分配を可能にしている。しかし、これらの技術は、回転往復ポンプを利用しない。回転往復ポンプを使用することにより、ディスペンサを独自の製品に組み込むことができ、分配された媒体を熱に曝すことを回避することができる。

米国特許出願公開第２００５／００１３７０８号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１７７２３７号明細書 米国特許出願公開第２０１６／００３２９０９号明細書 米国特許第６２１３３５４号明細書 米国特許第５３１２２３３号明細書 米国特許第３１６８８７２号明細書 米国特許第４００８００３号明細書 米国特許第４９４１８０９号明細書 米国特許第１０９３５０２１号明細書

従って、回転往復ポンプを使用して空気中で１マイクロリットルの分配を達成する流体分配システムを提供することが望ましい。

本開示は、ポンプヘッドに動作可能に接続されたステッピングモータを有するポンプを含む、流体を分配するためのシステム及び方法を提供している。ポンプヘッドは入口及び出口を有している。入口は、分配された流体を収容する流体リザーバに流体連通するように構成されている。疎水性材料を含む分配チップは、ポンプヘッドの出口と流体連通している。制御装置は、ステッピングモータを起動及び停止するために、ステッピングモータに動作可能に接続されている。所定の速度でステッピングモータを起動及び駆動する制御装置によって、ポンプヘッドは、流体を分配チップを通って移動させ、これにより、分配チップと分配された流体との間の付着（adhesion）を回避し、ステッピングモータが停止された後、分配された流体の液滴が分配チップに付着したままにならないようにしている。

本開示はまた、ポンプヘッドに動作可能に接続されたステッピングモータを有する往復回転ポンプを含む、流体を分配するためのシステムを提供している。ポンプヘッドは入口及び出口を有している。入口は、流体リザーバに流体連通するように構成されている。分配チップは、ポンプヘッドの出口と流体連通している。分配チップは、疎水性材料で形成された０．０１０インチ～０．０２０インチの範囲の内径（「ＩＤ：inside diameter」）を有している。制御装置は、ステッピングモータに動作可能に接続されている。制御装置は、約６００～１５００ＲＰＭの範囲の速度で、約３８，０００ステップ／秒^２～１４０，０００ステップ／秒^２の範囲の加速度でステッピングモータを駆動し、その結果、ステッピングモータは、ポンプヘッドに流体を分配チップを通して移動させ、これにより、分配チップと分配された流体との間の付着が回避され、ステッピングモータが停止された後、分配された流体の液滴が分配チップに付着したままにならないようにしている。

本開示は、更に、以下を含む流体を分配する方法を提供する：
ポンプであって、ポンプヘッドに動作可能に接続されたステッピングモータを有し、このポンプヘッドは入口及び出口を有し、入口は流体リザーバに流体連通するように構成され、出口は疎水性材料で形成された分配チップと流体連通しているポンプ、を提供するステップと、
ステッピングモータ及びポンプヘッドを駆動するステップであって、ステッピングモータの速度及び加速度は、ポンプヘッドが流体を駆動し、分配チップと分配された流体との間の付着を回避するように選択され、ステッピングモータが停止された後、分配された流体の液滴が分配チップに付着したままにならないようにするステップと、
分配チップから１マイクロリットル以下の廃棄液を分配するステップ。

分配システムの概略図である。 分配システムで使用されるポンプの斜視図である。 図２のポンプの部分断面図である。

図１及び図２を参照すると、本開示は、流体の液滴を、分配チップから分離させ、空気中では、容量が１マイクロリットル以下になるようにする流体分配システム１０に関する。システム１０は、モータ１４及びポンプヘッド１６を含むポンプ１２を備えている。ポンプ１２は、分配チップ１８に流体的に接続されている。配管２０は、ポンプ１２を、流体２３を含む流体リザーバ２１に接続している。

図２及び図３を参照すると、モータ１４は、回転軸を中心に回転するシャフト２２を有し、ポンプヘッド１６は、回転軸を中心に回転し、回転軸の方向に平行移動するピストン２４を有している。モータシャフト２２は、モータシャフト２２の回転がポンプピストンを回転させるように、ポンプピストン２４に連結されている。更に、モータシャフトの回転軸に対してポンプピストンの回転軸を傾斜させることによって、モータシャフトの回転はまた、ポンプピストンの直線移動を引き起こす。このようなポンプ１２は、特許文献６～特許文献９に示され、説明されており、これらの内容は、参照により本明細書に組み込まれる。

一実施形態では、ポンプ１２は、１回の分配容量が１マイクロリットル以下になるように較正された固定リンクポンプ（fixed-link pump）であっても良い。代替的な実施形態では、システムは、１回の分配容量が１マイクロリットル以下に設定された可変ヘッド（variable head）を備えたポンプを利用している。

一実施形態では、モータシャフト２２は、ポンプピストン２４に連結されており、モータシャフト２２の各回転は、ポンプのピストン２４を回転させる。ポンプとモータとの間の角度配向（angular orientation）により、モータシャフト２２の各回転は更に、ポンプピストン２４を軸方向に往復動させ、流体２３を交互に吸引及び押し出して、ポンプ入口２６とポンプ出口２８との間で流体を移送している。ピストンストロークの振幅は、ポンプ入口と出口との間に送達される流体の容量を決定している。ステッピングモータ１４に対するポンプヘッド１６の角度を変化させることによって、ピストンのストロークが調整され、それによって入口と出口との間で移送される流体の容量が調整されている。

一実施形態では、モータ１４は、約６００～１５００ＲＰＭの範囲の速度で、または代替的に約９００～１２７５ＲＰＭの範囲の速度で動作することができるタイプのステッピングモータであっても良い。ステッピングモータ１４はまた、約３８，０００ステップ／秒^２～１４０，０００ステップ／秒^２の範囲、または代替的に、約５７，０００ステップ／秒^２～７９，６００ステップ／秒^２の範囲の加速度で動作することができる。この範囲からわずかに外れた速度及び加速度も、許容可能な分配性能を提供することができる。一実施形態では、ステッピングモータ１４は、例えば、１０００ＲＰＭの速度及び５７，２２０ステップ／秒^２の加速度で動作するＮＥＭＡフレーム１７型のモータとすることができる。ステッピングモータ１４の特定の速度及び加速度は、流体の種類及び分配チップのサイズ等の要因に基づいて選択されても良い。ステッピングモータ１４は、当技術分野で周知のタイプのモータ制御装置３０に接続されている。モータ制御装置３０は、ポンプヘッド１６を駆動して所望の量の流体２３を分配するために、モータ１４を作動及び停止させる。このような制御は、例えば、Fluid Metering, Inc.によって販売されているIntelligent Stepper Motor Controllerを含むことができ、これは、ステッピングモータポンプのカスタムプログラミングのための埋め込みマイクロプロセッサを含む。

ポンプヘッドの入口ポート２６は、配管２０を介して流体リザーバ２１と流体連通している。一実施形態では、管は、内径（「ＩＤ」）が０．０６２インチのフッ素化エチレン－プロピレン（「ＦＥＰ：fluorinated ethylene-propylene」）管であっても良い。あるいは、ＩＤ０．０３１インチを有するチューブを使用しても良い。他の寸法のチューブを使用することもできると考えられる。

分配チップ１８は、流体が接触するポリプロピレンのような疎水性材料を含むハイゲージ（high gauge）の分配チップであっても良い。ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：polyether ether ketone）等の他の疎水性材料を使用して、分配チップ１８を形成することができると考えられる。あるいは、分配チップは、非疎水性材料を覆う疎水性材料のコーティングを含んでも良い。一実施形態では、分配チップ１８は、０．０１３インチ（０．３２０ｍｍ）のＩＤを有しても良い。しかし、０．０１０インチ～０．０２０インチの範囲のＩＤのような他の分配チップサイズも機能すると考えられる。分配チップ１８は、配管２０を介してポンプ出口ポート２８に接続されている。一実施形態では、管は、ＩＤが０．０６２インチのＦＥＰ管であっても良い。あるいは、ＩＤ０．０３１インチを有するチューブを使用しても良い。図１に示すように、分配チップ１８は、分配容器３２上の垂直な、分配端（dispense-end）を下にした位置に保持されることが好ましい。

正確な容量が分配されたことを確実にするために、システム１０は、流体が分配チップ１８に付着し、その上に残ることを防止している。図１を参照すると、動作中、分配チップ１８は、分配容器３２の上に配置されている。空気のみが、分配チップ１８を分配容器３２から分離している。ステッピングモータ１４は、制御装置３０から信号を受信し、この信号は、モータ１４を選択された速度及び加速度で動作させ、分配チップ１８と分配された流体との間の付着が回避されるように、流体２３を移動させる。一実施形態では、ステッピングモータは、約５７，０００ステップ／秒^２の加速度で約１０００ＲＰＭの速度で動作されている。この動作は、ピストンを駆動し、ポンプヘッドは、０．０１３インチのＩＤを有する分配チップ１８から流体４０の流れを放出させる。ステッピングモータ１４の運動は、所望の出力流体容量を提供するように制御されている。所定の時間が経過した後、ステッピングモータ１４は制御装置３０によって停止され、それに接続されたピストン２４と同様に停止する。

ポンプヘッド１６及び分配チップ１８を通って加速された分配流体は、分配チップの端部から完全に分離し、分配チップ１８に付着した液滴は残らない。ステッピングモータ１４によって駆動される流体の高加速度の使用は、流体と分配チップ１８との間の付着力に打ち勝つ運動量を流体に与える。加えて、流体と分配チップとの間の付着力を減少させることによる分配チップ１８の疎水性材料は、流体が分配チップ１８に付着したままにならないように、分配チップを通って噴出される流体に寄与している。従って、正確な量の分配された流体を、空気を介して分配容器３２に移送することができる。従って、システム１０は、１マイクロリットル以下のオーダーの少量の液体を、回転する往復ポンプ１２を使用して、空気を通して正確に且つ繰り返し分配することを可能にしている。

本明細書で提供される教示が与えられれば、当業者は、技術及び開示された実施形態の他の実施及び適用を考慮することができるであろう。添付の図面を参照して例示的な実施形態を本明細書に記載したが、例示的な実施形態はこれらの正確な実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、当業者によって様々な他の変更及び修正が行われることを理解されたい。

Claims (20)

1. 流体を分配するためのシステムであって、
   ポンプヘッドに動作可能に接続されたステッピングモータを有するポンプであって、前記ポンプヘッドが入口及び出口を有し、前記入口が、分配された流体を収容する流体リザーバに流体連通するように構成された、ポンプと、
   疎水性材料を含み、前記ポンプヘッドの前記出口と流体連通する分配チップと、
   前記ステッピングモータを起動及び停止するために前記ステッピングモータに動作可能に接続された制御装置であって、所定の速度及び加速度で前記ステッピングモータを駆動し、前記分配チップと前記分配された流体との間の付着が回避され、前記ステッピングモータが停止された後に前記分配された流体の液滴が前記分配チップに付着したままにならないように、前記ポンプヘッドが前記分配チップを通って前記流体を移動させる制御装置と、
   を備えているシステム。
2. 前記制御装置が、約６００～１５００ＲＰＭの範囲の速度で、約３８，０００ステップ／秒^２～１４０，０００ステップ／秒^２の範囲の加速度で前記ステッピングモータを駆動している、請求項１に記載のシステム。
3. 前記制御装置が、１０００ＲＰＭの速度及び５７，２２０ステップ／秒^２の加速度で前記モータを駆動している、請求項２に記載のシステム。
4. 前記ポンプが、１回の分配容量で空気中に１マイクロリットル以下を分配するように制御されている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記分配チップが、０．０１０インチ～０．０２０インチの範囲のＩＤを有している、請求項１に記載のシステム。
6. 前記分配チップは、０．０１３インチのＩＤを有している、請求項５に記載のシステム。
7. 前記分配チップが、０．０３１インチ～０．０６２インチの範囲の内径を有する配管によって、前記分配チップに流体的に連結されている、請求項５に記載のシステム。
8. 前記配管が、フッ素化エチレン－プロピレンから形成されている、請求項７に記載のシステム。
9. 前記ステッピングモータは、回転軸を中心に回転するシャフトを有し、前記ポンプヘッドは、前記シャフトに連結されたピストンを有し、回転軸を中心に回転し、前記回転軸の方向に平行移動する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記ポンプは、１回の分配容量が１マイクロリットル以下になるように較正された固定リンクポンプである、請求項１に記載のシステム。
11. 可変ヘッドを備えた前記ポンプは、１回の分配容量が１マイクロリットル以下になるように較正されている、請求項１に記載のシステム。
12. 前記分配チップが疎水性材料で形成されている、請求項１に記載のシステム。
13. 流体を分配するためのシステムであって
    ポンプヘッドに動作可能に接続されたステッピングモータを有する往復回転ポンプであって、前記ポンプヘッドが入口及び出口を有し、前記入口が、分配された流体を収容する流体リザーバに流体連通するように構成された往復回転ポンプと、
    前記ポンプヘッドの出口と流体連通する疎水性材料で形成された、０．０１０インチ～０．０２０インチの範囲のＩＤを有する分配チップと、
    前記ステッピングモータを起動及び停止するために前記ステッピングモータに動作可能に接続された制御装置であって、該制御装置は、約３８，０００ステップ／秒^２～１４０，０００ステップ／秒^２の範囲の加速度で、約６００～１５００ＲＰＭの範囲の速度で前記ステッピングモータを駆動し、これにより、前記ステッピングモータは、前記分配チップと前記分配された流体との間の付着が回避され、前記ステッピングモータが停止された後に前記分配された流体の液滴が前記分配チップに付着したままにならないように、前記ポンプヘッドが前記分配チップを通って前記流体を移動させる制御装置と、
    を備えているシステム。
14. 前記ポンプは、１回の分配容量が１マイクロリットル以下になるように較正された固定リンクポンプである、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記ステッピングモータは、回転軸を中心に回転するシャフトを有し、前記ポンプヘッドは、前記シャフトに連結されたピストンを有し、回転軸を中心に回転し、前記回転軸の方向に平行移動する、請求項１３に記載のシステム。
16. 流体を分配する方法であって、
    ポンプであって、ポンプヘッドに動作可能に接続されたステッピングモータを有し、前記ポンプヘッドは入口及び出口を有し、前記入口は流体リザーバ内に配された流体に流体連通するように適合され、前記出口は疎水性材料で形成された分配チップと流体連通しているポンプ、を提供するステップと、
    前記ステッピングモータ及び前記ポンプヘッドを駆動するステップであって、前記ステッピングモータの速度及び加速度は、前記ポンプヘッドが流体を駆動し、前記分配チップと分配された流体との間の付着を回避するように選択され、前記ステッピングモータが停止された後、分配された流体の液滴が前記分配チップに付着したままにならないようにするステップと、
    前記分配チップから１マイクロリットル以下の廃棄液を分配するステップと、
    を含む、方法。
17. 前記制御装置が、約６００～１５００ＲＰＭの範囲の速度で、約３８，０００ステップ／秒^２～１４０，０００ステップ／秒^２の範囲の加速度で前記ステッピングモータを駆動する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記ポンプは、１回の分配容量で空気中に１マイクロリットル以下を分配するように制御されている、請求項１６に記載の方法。
19. 前記分配チップが疎水性材料で形成されている、請求項１６に記載の方法。
20. 前記ポンプが回転往復ポンプである、請求項１６に記載の方法。

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