JP3988658B2

JP3988658B2 - マイクロポンプの制御方法およびマイクロ流体システム

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Publication number: JP3988658B2
Application number: JP2003062090A
Authority: JP
Inventors: 楠東野; 康博山東
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: JP2004270537A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小量の流体を高精度に送ることが必要な化学分析などに用いられるマイクロポンプの制御方法およびマイクロ流体システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年において、マイクロマシン技術を応用し、化学分析や化学合成などのための機器や手法を微細化して行うμ−ＴＡＳ（Micro Total Analysis System)が注目されている。μ−ＴＡＳによる化学分析、環境計測などでは、デバイス（チップ）上で送液、混合、検出を行うために、送液手段としてマイクロポンプが用いられる。そのような送液手段に適したマイクロポンプの例として、本出願人が開示した特開２００１−３２２０９９に記載のものがある。
【０００３】
さて、マイクロポンプによって流体を流路に送出するに際して、流路内に流体の存在しない初期状態から流体の送出を開始する場合では、送出された流体によって流路が時間の経過とともに徐々に満たされていくことになる。それによって、マイクロポンプの負荷である流路抵抗値が時間とともに徐々に増加することになり、その結果、マイクロポンプが送出する流体の流速つまり流量が徐々に低下していくという問題がある。つまり、流量の目標値を定めてそれに応じた駆動電圧をマイクロポンプに供給している場合でも、流路抵抗値の変化によって流量が目標値からずれてくるという問題がある。
【０００４】
この問題の解決の従来における一般的な手法は、流量センサを用いて流量を計測し、計測値に基づいてフィードバック制御を行うことである。例えば、特開平５−１６６９号には、マイクロバルブを構成するシリコン基板の変形をセンサによって検出し、センサによる検出値を流量の変化量としてフィードバックする方法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３２２０９９
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−１６６９
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上に述べたようにセンサを用いてフィードバックを行う方法では、流量センサおよびフィードバックの回路が複雑になってコスト的に不利となる。
【０００８】
また、上に述べた特開平５−１６６９号の方法による場合は、直接的にはバルブの開閉量を検出しているので実際の流量との間で誤差が生じ、精度の点で問題が残る。
【０００９】
また、複数のマイクロポンプによって複数の流体を送出して合流させる場合には、合流後の流路に満たされる流体の量に応じて複数のマイクロポンプの相互間の影響の度合いが変化する。そのため、複数の流体の流量比つまり混合比が変化してしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、マイクロポンプを制御して流路における流体の流量を目標値に近づけることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る方法は、マイクロポンプによって流体を流路に送出するように構成されたマイクロ流体システムにおけるマイクロポンプの制御方法であって、前記マイクロポンプの作動による前記流路中の前記流体の量の変化に基づく流路抵抗の変化の予測値に関する情報を取得し、取得した前記情報に基づいて前記マイクロポンプを駆動するための電気信号を制御し、これにより前記流路における流量が目標値となるように制御する。
【００１２】
また、時刻ｔにおけるマイクロポンプの発生圧力の初期からの増減量をΔＰ（ｔ）とし、時刻ｔにおける流路の流路抵抗値の初期からの増減量をΔＲ（ｔ）とし、時刻ｔにおける目標流量をＱ（ｔ）としたときに、各時刻において
ΔＰ（ｔ）＝Ｑ（ｔ）×ΔＲ（ｔ）
の関係が成り立つように、前記マイクロポンプの発生圧力を調節し、これにより前記流路における流量が目標流量となるように制御する。
【００１３】
また、複数のマイクロポンプによって複数の流体を送出して合流させるように構成されたマイクロ流体システムにおけるマイクロポンプの制御方法であって、前記複数のマイクロポンプについて、その発生圧力から合流点より下流における圧力降下値を差し引いた値の互いの比が、各マイクロポンプから送出される流体の混合比に略等しくなるように、前記各マイクロポンプを駆動するための電気信号を調整してその発生圧力を制御する。
【００１４】
本発明に係るマイクロ流体システムは、前記マイクロポンプの作動時間と前記マイクロポンプの作動による前記流路中の前記流体の量の変化に基づく流路抵抗の変化分をキャンセルするに必要な電圧を加味した電圧値との関係を記憶したテーブルと、前記マイクロポンプの作動の開始後に前記テーブルを参照して前記マイクロポンプを駆動するための電気信号を制御する電圧制御部とを有して構成する。
【００１５】
また、前記複数の流体の合流点における圧力を検出するためのセンサと、前記複数のマイクロポンプについて、その発生圧力から前記センサの検出圧力を差し引いた値の互いの比が、各マイクロポンプから送出される流体の混合比に略等しくなるように、前記各マイクロポンプを駆動するための電気信号を制御する電圧制御部とを有して構成する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施形態〕
図１は本発明に係る第１の実施形態のマイクロ流体システムＭＳ１の構成を模式的に示す平面図、図２は第１の実施形態のマイクロポンプ１の正面断面図、図３は開口部の流路抵抗特性の例を示す図、図４および図５は圧電素子の駆動電圧の波形の例を示す図、図６は流路２３における液体の充填長さＬを示す図である。なお、図２は、図１の開口部１２，１３の中心を通る面によって断面した状態を示す図である。
【００１７】
図１および図２に示すように、マイクロ流体システムＭＳ１は、ポンプ室であるチャンバー１１とリザーバ２２とが開口部１２を介して連通し、同じくチャンバー１１と細長い流路２３とが開口部１３を介して連通している。チャンバー１１、開口部１２，１３、リザーバ２２と流路２３の一部、および後述する圧電素子３４などによってマイクロポンプ１が構成される。
【００１８】
図２によく示されるように、マイクロポンプ１は、シリコン基板３１を用い、この基板３１の底面にフォトリソグラフィー工程によって、チャンバー１１、開口部１２，１３、リザーバ２２、および流路２３などを構成するための溝または窪みを形成し、その下に底板となるガラス基板３２を接合することによって製作される。その際に、シリコン基板３１におけるチャンバー１１となる窪みは、シリコン基板３１が貫通しないようにハーフエッチングで堀り込み、シリコン基板３１の残った部分をダイヤフラム３１ｆとして用いる。ダイヤフラム３１ｆの上に圧電素子３４がはり付けられている。
【００１９】
マイクロポンプ１はこのようにして製作することが可能であるが、従来から公知の方法、その他の方法またはその他の材料を用いて製作することも可能である。
【００２０】
圧電素子３４には、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）セラミックスの薄板を用いる。圧電素子３４の駆動のための２つの電極は、圧電素子３４の両側の表面に引き出され、フレキシブルケーブル３５などによって配線され、駆動回路３６に接続される。
【００２１】
駆動回路３６によって、圧電素子３４に図４（Ａ）または図５（Ａ）に示す波形の電圧を印加することにより、シリコン薄膜であるダイヤフラム３１ｆと圧電素子３４とがユニモルフモードの屈曲変形を行うことを利用して、チャンバー１１の容積を増減させる。駆動回路３６はＣＰＵ４０によって制御される。ＣＰＵ４０およびその周辺の回路については後で説明する。
【００２２】
さて、開口部１２の断面積（有効断面積）は、リザーバ２２の開口部１２近辺の断面積よりも小さい。また、開口部１３の断面積は、流路２３の断面積より小さい。
【００２３】
開口部１３は、チャンバー１１の圧力を上昇または下降させたときの流路抵抗の変化割合が、開口部１２のそれよりも小さく設定されている。
したがって、開口部１２は、図３（Ａ）に示すように、その両端の差圧が零に近いときは流路抵抗が低いが、差圧が大きくなると流路抵抗が大きくなる。つまり圧力依存性が大きい。開口部１３は、図３（Ｂ）に示すように、差圧が零に近いときの流路抵抗は開口部１２の場合よりも大きいが、圧力依存性がほとんどなく、差圧が大きくなっても流路抵抗は余り変化せず、差圧が大きい場合に流路抵抗が開口部１２よりも小さくなる。
【００２４】
このような流路抵抗特性は、流路を流れる流体、例えば液体が、差圧の大きさに応じて層流または乱流のいずれかとなるようにするか、または差圧にかかわりなく常に層流となるようにするか、によって得ることが可能である。具体的には、例えば、前者は開口部１２を流路長の短いオリフィス状とし、後者は開口部１３を流路長の長いノズル状とすることによって実現することが可能である。
【００２５】
開口部１２と開口部１３のこのような流路抵抗特性を利用して、チャンバー１１に圧力を発生させるとともに、その圧力の変化の割合を制御することによって、吐出工程および吸入工程のそれぞれにおいて開口部１２，１３のうち流路抵抗の低い方により多くの流体を吐出または吸入するようなポンプ作用を実現することができる。
【００２６】
つまり、チャンバー１１の圧力を上昇させるとともに、その変化の割合を大きくすれば、各開口部１２，１３の両端における差圧が大きくなって開口部１２の流路抵抗が開口部１３の流路抵抗よりも大きくなり、チャンバー１１内の流体のほとんどは開口部１３から吐出する（吐出工程）。そして、チャンバー１１の圧力を下降させるとともに、その変化の割合を小さくすれば、差圧が小さく維持されて開口部１２の流路抵抗の方が開口部１３の流路抵抗よりも小さくなり、開口部１２からチャンバー１１内により多くの流体が流入する（吸入工程）。
【００２７】
これとは逆に、チャンバー１１の圧力を上昇させるとともに、その変化の割合を小さくしておけば、差圧が小さく維持されて開口部１２の流路抵抗の方が開口部１３の流路抵抗よりも小さくなり、チャンバー１１内の流体は開口部１２からより多く吐出する（吐出工程）。そして、チャンバー１１の圧力を下降させるとともに、その変化の割合を大きくすれば、差圧が大きくなって開口部１２の流路抵抗の方が開口部１３の流路抵抗よりも大きくなり、開口部群１３からチャンバー１１内により多くの流体が流入する（吸入工程）。
【００２８】
このようなチャンバー１１の圧力制御は、圧電素子３４に供給する駆動電圧を制御し、ダイヤフラムの変形の速度、量、およびタイミングを制御することによって実現される。例えば、圧電素子３４に図４（Ａ）に示す波形の駆動電圧を印加することによって流路２３の側に吐出し、図５（Ａ）に示す波形の駆動電圧を印加することによってリザーバ２２の側に吐出する。
【００２９】
本実施形態においては、通常は、リザーバ２２に貯留した流体をチャンバー１１が吸入して流路２３に吐出するように作動させるので、開口部１２をインレット、開口部１３をアウトレットと呼称することがある。なお、供給口ＰＴ１から流体を注入することによってリザーバ２２に流体が貯留する。
【００３０】
図４および図５において、圧電素子３４に印加する最大電圧ｅ1 は、数ボルトから数十ボルト程度、最大で１００ボルト程度である。また、時間Ｔ１，Ｔ７は２０μｓ程度、時間Ｔ２，Ｔ６は０〜数μｓ程度、時間Ｔ３，Ｔ５は６０μｓ程度である。時間Ｔ４，Ｔ８は０であってもよい。駆動電圧の周波数は１１ＫＨｚ程度である。図４（Ａ）および図５（Ａ）に示す駆動電圧によって、流路２３には、例えば図４（Ｂ）および図５（Ｂ）に示すような流量が得られる。なお、図４（Ｂ）および図５（Ｂ）における流量曲線は、ポンプ動作によって得られる流量を模式的に示したもので、実際には流体の慣性振動が重畳する。したがって、これら図に示された流量曲線に振動成分が重畳された曲線が実際に得られる流量を示すこととなる。
【００３１】
さて、流路２３内に流体の存在しない初期状態において、マイクロポンプ１の作動を開始する場合を考える。マイクロポンプ１の作動の開始とともに流路２３に流体が送出され、流路２３内の流体の量は時間の経過とともに徐々に増加する。流路２３内の流体の量が増大するにしたがって、流路２３における流路抵抗値が増大する。そのため、圧電素子３４に供給する駆動電圧を一定とした場合には、従来の技術の項で説明したように流路抵抗値の増大によって流量が低下するので、流路２３に送出する流量を一定とすることはできない。
【００３２】
本実施形態のマイクロ流体システムＭＳ１では、流路２３に流体が送出されることによって流路抵抗値が変化しても、流路２３に常に一定流量の流体を送出するようにマイクロポンプ１を制御する。次に、その制御方法について説明する。なお、以下において、流体として液体を用いる場合を説明する。
【００３３】
まず、初期状態において所望の一定の流量Ｑで送液するために必要なマイクロポンプ１の発生圧力を求めておく。これは、マイクロポンプ１の無負荷の状態における駆動電圧と流量との関係に基づいて容易に求められる。
【００３４】
そして、マイクロポンプ１を流量Ｑで作動させたときに流路２３に送出される総量（充填量）を、各時刻ｔごとに求める。液体の総量に基づいて、各時刻ｔにおける初期状態からの流路抵抗値Ｒの増減量〔△Ｒ（ｔ）〕を推測する。
【００３５】
例えば、本実施形態の場合のように流路２３の断面積が一定であれば、液体の総量は、流路２３への充填長さＬによって表すことができる。流路２３への充填長さＬは、図６に示すように、流路２３において液体が充填されている部分の総長さである。流量Ｑが一定の場合には、充填長さは経過時間つまり時刻ｔに比例する。流路抵抗値Ｒが流路２３における液体の充填長さに比例すると見てよい場合には、結局、時刻ｔに比例して流路抵抗値Ｒが増加する。つまり、流路抵抗値Ｒの増減量〔△Ｒ（ｔ）〕は、時刻ｔに比例する。流路抵抗値Ｒの増減量〔△Ｒ（ｔ）〕による圧力の変化量は、
Ｑ×〔△Ｒ（ｔ）〕
となる。
【００３６】
さて、流路抵抗値Ｒの増減量〔△Ｒ（ｔ）〕によってマイクロポンプ１の負荷が増減するが、マイクロポンプ１が一定の流量Ｑを送出するためには、その負荷の増減に対応してマイクロポンプ１の発生圧力を増減する必要がある。したがって、一定の流量Ｑを送出するためには、マイクロポンプ１の発生圧力の初期状態からの増減量〔ΔＰ（ｔ）〕が、常に、次の（１）式、
〔ΔＰ（ｔ）〕＝Ｑ×〔△Ｒ（ｔ）〕 …（１）
となるように、マイクロポンプ１の発生圧力を調整すればよい。
【００３７】
マイクロポンプ１の発生圧力が上の（１）式の関係を満たすように調整するには、最も簡単には圧電素子３４に供給する駆動電圧を増減することにより達成できる。つまり、マイクロポンプ１の発生圧力が上の（１）式を満たすように、圧電素子３４の駆動電圧を制御することにより、流路２３に常に一定の流量Ｑの流体を送出することができる。
【００３８】
ところで、マイクロポンプ１の駆動電圧と発生圧力との関係は、予め実験などによって求めておく。その方法として、例えば、マイクロポンプ１を駆動すると同時に、流路２３の出口側から圧縮空気などを供給して圧力を加え、マイクロポンプ１の駆動にも係わらず液体の送出が停止したときの圧縮空気の圧力を測定する。この測定を種々の駆動電圧について行うことにより、駆動電圧ー発生圧力特性を求めることができる。
【００３９】
なお、流路抵抗値Ｒとは、流体が流路を通って流れるときの圧力損失の係数に相当する。流路を単位時間に流れる流体の体積つまり流量をＱとし、流体が流路を流れることによる圧力損失を△Ｐとすると、流路抵抗値Ｒ［Ｎ・ｓ／ｍ⁵］は、次の（２）式、
Ｒ＝ΔＰ／Ｑ …（２）
で求められる。但し、Ｎは力（Newton）、ｓは時間（second）である。
【００４０】
そして、例えば時刻ｔと駆動電圧との関係を求めて予め制御テーブルに記憶させておき、時刻ｔに対応する駆動電圧を制御テーブルから読み出して圧電素子３４を制御することによって、マイクロポンプ１から所定の一定の流量Ｑを送出することができる。次のそのような制御テーブルＴＢ１の例を説明する。
【００４１】
図７は時刻ｔと駆動電圧Ｖとの関係の例を示す制御テーブルＴＢ１である。
図７に示す制御テーブルＴＢ１では、流路２３の液体による充填長さＬ、流路抵抗値Ｒ、駆動電圧Ｖ、マイクロポンプ１の発生圧力Ｐ、およびその増減量ΔＰが、時刻ｔの関数として表されている。なお、これは、流路２３の断面が一辺１００μｍの正方形であるとし、所定の流量Ｑが４０ｎＬ／ｓであるとした場合を示す。この場合の流速は、４ｍｍ／ｓである。
【００４２】
本実施形態の場合には、流路２３の形状が一様な断面の細長い流路であることから、上にも述べたように、その流路抵抗値Ｒは流路２３中に液体が満たされている部分の長さに比例することになる。そのため、マイクロポンプ１の発生圧力の増分は、流路２３中に液体が満たされている部分の長さの増分に略比例させている。また、この例の場合には、流路抵抗値Ｒの初期からの増分は時刻ｔ（経過時間）に比例するので、マイクロポンプ１の発生圧力の初期からの増分は時刻ｔに対して比例させている。
【００４３】
なお、図７に示す制御テーブルＴＢ１は、ある特定の温度におけるものである。温度が変わると液体の粘性が変わるため、制御テーブルＴＢ１の内容も変わる。そのため、制御テーブルＴＢ１には、図７に示す以外に、種々の温度に対応した値のテーブルが含まれている。なお、種々の温度に対して個別に制御テーブルＴＢを用意してもよい。
【００４４】
図２において、ＣＰＵ４０は、メモリ４１に格納された制御テーブルＴＢ１を参照し、マイクロポンプ１の作動を開始してからの時刻ｔに応じた駆動電圧Ｖを出力するよう、駆動回路３６を制御する。なお、入力部４２は、作業条件などを入力するためのものであり、キーボード、ポインティングデバイス、またはタッチパネルなどが用いられる。温度センサＳＥ１は環境温度を検出する。温度センサＳＥ１によって検出された環境温度に基づいて、その条件に適合する制御テーブルＴＢ１の内容を読み出す。メモリ４１として、ＲＯＭおよびＲＡＭなどが用いられ、制御テーブルＴＢ１を格納するためには、それら以外に他の種々の記録媒体を用いることも可能である。
【００４５】
なお、制御テーブルＴＢ１として、いろんなシーケンスに対してそれぞれ液体の種類や粘度ごとに異なるテーブルを用意しておいてもよい。これによって、さらに一層汎用的でフレキシブルな流量制御を容易に行うことが可能である。しかし、制御テーブルＴＢ１として、種々の温度などに対応したテーブルを設けることなく、条件の変化に対しては数式またはプログラムに基づく補正または補間を行うようにしてもよい。
【００４６】
上の説明では、常に一定の流量Ｑで送液する場合の例を挙げたが、時間に対して可変な任意の所望の流量で送液する場合においても適用できる。例えば、ある決まった時間間隔で決まった時間だけ決まった流量の液体を繰り返し送液する場合、および流量を時間に対して強弱をつけて送液するような場合にも適用可能である。
【００４７】
このような場合には、各時刻ｔにおける目標流量Ｑ（ｔ）から各時刻ｔにおける液体の流路への充填度合いを導き、その値から各時刻ｔにおける初期からの流路抵抗値Ｒの増減量△Ｒ（ｔ）を求め、次の（３）式によって各時刻ｔにおける初期からの発生圧力の増減量ΔＰ（ｔ）を求めたものを用いればよい。
【００４８】
〔ΔＰ（ｔ）〕＝Ｑ（ｔ）×〔△Ｒ（ｔ）〕 …（３）
その場合に、流路抵抗値Ｒは、流路の入口に圧力をかけて流体を流した時の流量を測定し、その圧力をその流量の値で割ることにより求めることができる。
【００４９】
特に、上の実施形態のように細くて長い流路２３であって流路２３内で層流が支配的である場合には、流路抵抗値Ｒは次の（４）式で求めることもできる。
Ｒ＝∫｛３２×η／（Ｓ×φ²）｝ｄＬ …（４）
ここで、ηは粘度、Ｓは断面積、φは等価直径、Ｌは流路長さである。
【００５０】
なお、等価直径φは、幅がａ、高さがｂの長方形断面の場合に、
φ＝（ａ×ｂ）｛（ａ＋ｂ）／２｝
である。
【００５１】
なお、上の実施形態では、（３）式の関係があれば一定流量制御ができると説明したが、流路抵抗値Ｒが増加したときに発生圧力を増加させるような駆動方法を用いていれば、（３）式に厳密に合わなくても、ある程度の効果を期待することができる。例えば、液体を送液して流路２３を充填していく途中で駆動電圧Ｖを上げるという過程が含まれる駆動方法であれば、上に述べた効果をある程度は得ることができる。
【００５２】
また、上の実施形態によるマイクロ流体システムＭＳ１は、バルブレス方式のマイクロポンプ１を用いたマイクロメートル領域での流体システムにおいて、特に高い効果を期待することができる。バルブレス方式の場合には、バルブのあるマイクロポンプと比べて、ポンプ単体の特性でみても発生圧力と流量の関係が線形に近い特性である。そのため、マイクロポンプと流路とを組み合わせた系においても、上の（１）式および（３）式の線形特性に比較的よく合致するので、この方法の有効性が高い。
【００５３】
また、マイクロメートル領域での流体システムの場合には、流体挙動は慣性力よりも粘性力が支配的な領域となる。そのため、発生圧力と流量との関係は線形関係に近づき、上の（１）式および（３）式の関係によりよく合致する。また、慣性力の影響が小さいので、発生圧力の変化に対して流量変化の時間的な追随性がよくなる。そのため、時間に対して可変な任意の所望の流量で送液する場合にも、速やかな応答速度で対応できる。特に、粘性力と慣性力との力の比を表す無次元パラメータであるレイノルズ数（＝密度×速度×代表寸法÷粘度）が小さいほど効果的であることから、流路の幅が狭いほどこの効果は大きい。例えば幅が１ｍｍ以下の領域では特に効果が大きい。
【００５４】
次に、マイクロ流体システムＭＳ１の具体的な構成例を説明する。
図８はマイクロ流体システムＭＳ１の斜視図、図９はマイクロ流体システムＭＳ１の正面断面図、図１０はマイクロポンプチップ５の平面図、図１１は流路チップ７の平面図である。
【００５５】
なお、これらの図において、流路チップ７に設けられた流路１４１および穴１４２が図の上面に露出しているかのように描かれているが、流路チップ７が透明であるためにそのように見えるだけであり、実際には以下に説明するようにそれらは流路チップ７の下面に設けられている。
【００５６】
図８および図９において、マイクロ流体システムＭＳ１は、マイクロポンプチップ５、ガラス基板６、および流路チップ７からなる。
マイクロポンプチップ５は、シリコン基板３１、圧電素子３４、および図示しないフレキシブル配線からなる。図の例では、マイクロポンプチップ５には、ディフューザー型のマイクロポンプＭＰ１が形成されている。マイクロポンプＭＰ１は上に述べたマイクロポンプ１に相当する。
【００５７】
シリコン基板３１は、例えば１７×３５×０．２ｍｍの大きさの長方形のシート状である。シリコン基板３１は、シリコンウエハを公知のフォトリソグラフィー工程で所定の形状に加工して形成したものである。つまり、例えば、パターニングされたシリコン基板をＩＣＰドライエッチング装置を用いて所定の深さまでエッチングする。シリコン基板３１に形成されたマイクロポンプＭＰ１は、チャンバー１１、ダイヤフラム３１ｆ、開口部１２，１３、第１流路１２４、および第２流路１２６を有する。第１流路１２４の先端にはポート１２４Ｐが、第２流路１２６の先端にはポート１２６Ｐが、それぞれ設けられる。
【００５８】
開口部１２のサイズは、例えば、幅２５μｍ、高さ２５μｍ、長さ２５μｍである。開口部１３のサイズは、例えば、幅２５μｍ、高さ２５μｍ、長さ１５０μｍである。
【００５９】
マイクロポンプＭＰ１における液体との接触面には、熱酸化を施して親水化処理が行われている。マイクロポンプＭＰ１は、フォトリソグラフィー工程において一括して加工されるので、寸法などのバラツキが少なく、送液特性の誤差が生じ難い。
【００６０】
ガラス基板６は、例えば、５０×７６×１ｍｍの大きさの長方形の板状であり、表面６ａ，６ｂは滑らかであり、全体が透明である。ガラス基板６は図１におけるガラス基板３２に相当する。ガラス基板６として、例えば、パイレックスガラス（Pyrex はCorning Glass Warks 社の登録商標）、テンパックスガラス（Tempax は Schott Glaswerk社の登録商標）などが用いられる。これらは熱膨張率がマイクロポンプチップ５の材料とほぼ同じである。ガラス基板６には、ポート１２４Ｐ，１２６Ｐと対応する位置に、直径が１．２ｍｍ程度の貫通孔１３１，１３２が設けられている。
【００６１】
上に述べたマイクロポンプチップ５は、ガラス基板６の裏面（表面６ｂ）において２つの辺が一致する位置で陽極接合により接合されている。
これら、マイクロポンプチップ５とガラス基板６との接合体は、マイクロポンプユニットＭＵを構成する。マイクロポンプユニットＭＵは、上に述べたマイクロポンプＭＰ１の作動によって、一方の貫通孔１３２から液体を吸い込み、他方の貫通孔１３１から液体を吐出する。また、圧電素子３４に印加する駆動電圧を制御することによって、液体の吸入と吐出の方向を逆にすることができる。なお、マイクロポンプチップ５それ自体の構造については、従来の技術の項で述べた特開２００１−３２２０９９を参照することができる。
【００６２】
流路チップ７は、例えば、５０×７６×３ｍｍの大きさの長方形の板状であり、自己シール性を有する弾性材料からなり、透明または半透明であって透光性を有する。流路チップ７は、自己シール性を有するので、ガラス基板６の表面６ａに載せるだけで自己吸着により密着する。流路チップ７の材料として、例えば、シリコンゴムの一種であるＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）が用いられる。ＰＤＭＳの市販品の例として、例えばDowCorning社製の「Sylgard １８４」がある。
【００６３】
流路チップ７には、表面７ｂの側に、化学分析用または化学合成用の流路１４１がパターニングされている。流路１４１は図１における流路２３に相当する。流路１４１の寸法形状の例を挙げると、幅が１００μｍ程度、深さが１００μｍ程度の断面矩形の溝である。
【００６４】
流路チップ７には、流路１４１の始端位置に、ガラス基板６の貫通孔１３１に対応して、表面７ａに貫通しない穴１４２が設けられる。また、流路１４１の終端位置に、表面７ａに貫通する穴１４４が設けられる。穴１４４は、流路１４１を通過して不要になった液体を排出するためのものであり、他の穴よりも大きな径に形成されている。また、流路チップ７には、ガラス基板６の貫通孔１３２に対応する位置に、内径が４ｍｍ程度の大きな穴１４５が設けられる。穴１４５は、マイクロ流体システムＭＳ１の使用に際して、分析用の液体の液溜めとなる。
【００６５】
このような流路チップ７は次のようにして製作することができる。つまり、シリコン基板上に厚膜レジストをスピンコートし、フォトリソグラフィー工程によって流路１４１の部分が凸になった母型を作成する。その母型に、ＰＤＭＳを流し込み、加熱硬化させる。硬化したチップを母型から剥離することにより完成する。母型は繰り返して使用できるので、流路チップ７を容易に安価に大量生産することができる。なお、厚膜レジストの材料として、例えばMicroChem 社製のＳＵ−８を用いることができる。
【００６６】
なお、上に述べた以外の種々の構成および材料を採用することができる。例えば、マイクロポンプチップ５の材料として、シリコン基板ではなく、樹脂、ガラス、金属、セラミックなどの材料を微細加工したものでもよい。ダイヤフラム３１ｆも、エッチングで形成するのではなく、別途用意した薄板を張り合わせて形成しても良い。その場合に、材料は特に限定されないが、圧電素子３４よりも極端に柔らかいと十分な変位特性が得られない可能性があるので、適度な硬度または弾性を持つものが好ましい。
【００６７】
上に述べた実施形態において、チャンバー１１の深さを開口部の深さと同じとしたが、同じである必要はなく、それより深くても浅くてもよい。チャンバー１１の容積を増減させるアクチュエータである圧電素子３４の変形は、ユニモルフ屈曲変形である必然性はなく、例えば、縦振動、横振動、ずり変形振動などであってもよい。また、アクチュエータとして、圧電素子３４に限らず、例えば、静電アクチュエータ、電磁アクチュエータ、または形状記憶合金など、チャンバー１１の容積を増減させ得るものであれば何でもよい。また、アクチュエータは、マイクロポンプＭＰ１に一体化されたものではなく、別体として切り離し可能なものであってもよい。
【００６８】
開口部の形状に関して、流路断面が一様であると言っても必ずしも完全に一様である必要はない。また、必ずしも一様な断面形状である必要はない。例えば、内面に多少の凸凹があったり、テーパがあってもよい。そのような場合の実効断面積または有効断面積は、実験値または計算値などに基づいて求めることができる。開口部の出入り口の近傍において、特に吐出口（アウトレット）となる側の開口部においては、多少の拡がり部または滑らかに拡がるアール部をもっていてもよい。また、特に吸入口（インレット）となる側の開口部においては、一様な断面形状でなくても機能は大きく変わらない。要は、各流路に介在する開口部の圧力変化に対する流路抵抗特性が互いに異なり、且つポンプ作用を得たい流路については、それらの開口部の流路抵抗特性ができるだけ大きく相違すればよい。適用する流体として、液体、流動体、気体などであってもよい。
【００６９】
上の実施形態においては、制御テーブルＴＢ１として、図７に示す内容のもの、または時刻ｔと駆動電圧Ｖとの関係を示すものを用いることとした。しかし、例えば、時刻ｔと充填長さＬとの関係を示す制御テーブルＴＢ１ａと、充填長さＬと駆動電圧Ｖとの関係を示す制御テーブルＴＢ１ｂとを設け、これら２つの制御テーブルＴＢ１ａ，ｂを参照するようにしてもよい。この場合に、前者の制御テーブルＴＢ１ａは、流量Ｑの目標値などによって内容が異なるので、ユーザの使用目的などに応じて適当な内容となるように決めて作成しておく。これに対して、後者の制御テーブルＴＢ１ｂは、マイクロ流体システムＭＳ１の仕様が決まればその内容が決まる。この場合においても、それらの制御テーブルＴＢ１ａ，ｂを、液体の種類ごと、温度などの環境条件ごとに設けておけばよい。
【００７０】
上の実施形態においては、マイクロポンプ１の発生圧力の制御のために、圧電素子３４に供給する駆動電圧Ｖ、つまり図４に示す電圧波形の最大電圧ｅ1 の値を制御した。発生圧力は、駆動電圧Ｖにほぼ比例する。しかし、これ以外の要素、例えば、波形の立ち上がりまたは立ち下がりの速さつまり時間Ｔ１，Ｔ３の長さを制御してもよい。例えば、時間Ｔ１を短くすると発生圧力は大きくなる。また、マイクロポンプを駆動するパルス信号の周波数やデューティー比を制御してもよい。
〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態のマイクロ流体システムＭＳ２について説明する。
【００７１】
図１２は本発明に係る第２の実施形態のマイクロ流体システムＭＳ２の構成を模式的に示す平面図、図１３は第２の実施形態における流量制御の原理を説明するための図である。
【００７２】
第２の実施形態においては、第１の実施形態で用いられたマイクロポンプ１と同じものを２つ用いる。図１２においては、一方のマイクロポンプ１ａの構成要素には符号の末尾にａを付し、他方のマイクロポンプ１ｂの構成要素には符号の末尾にｂを付して示す。そして、それらの流路２３ａ，２３ｂが合流する点を符号ＧＴで示し、合流点ＧＴから下流の流路を符号２３ｃで示す。流路２３ｃは下流部ＫＢと同じである。流路２３ｃにおける液体の充填部を符号ＪＢで示し、流路２３ｃにおける気体の充填部を符号ＡＢで示し、液体と気体との界面（メニスカス）をＭＮで示す。マイクロポンプ１ａ，１ｂ自体の構成およびその制御方法については、第１の実施形態の場合と同様である。
【００７３】
図１２に示すように、２つのマイクロポンプ１ａ，１ｂから流路２３ａ，２３ｂに送出された２種類の液体は、所定の混合比で合流点ＧＴで合流した後、流路２３ｃを充填して下流へ送られる。
【００７４】
このように、マイクロメートルオーダーの幅の流路２３ｃに一定の幅比で複数の流体を層流状に流す方法は、例えば化学分析システムなどにおいて一定の混合比で薬液を拡散混合させるような場合にしばしば用いられる手法である。この手法によると、比界面積（液体の体積に対する、液体同士の界面の面積の比）が大きいこと、および拡散距離が短いことから、少量の薬液を短時間で定量混合する手法としてよく知られている。
【００７５】
因みに、このような手法による従来のシステムには、定量性を確保するために外付けのシリンジポンプをチューブで接続するなどの手法が多く用いられていた。しかし、シリンジポンプを外付けした場合には、流体のデッドボリュームが多い、チューブの弾性などによって流量を任意に変化させたときの応答性が悪い、という問題があった。
【００７６】
そこで、第２の実施形態のマイクロ流体システムＭＳ２においては、従来のようなシリンジボンプを用いることなく、２つのマイクロポンプ１ａ，１ｂによって流体を駆動する。しかし、マイクロ流体システムＭＳ２においては、各マイクロポンプ１ａ，１ｂから送液される液体の流量比は、合流点ＧＴよりも下流部ＫＢの流体の流路抵抗に依存して変化する。
【００７７】
第２の実施形態では、複数のマイクロポンプ１ａ，１ｂを含む構成において、複数の流体をそれぞれ所定の流量比で送液するための工夫がなされている。
この手法のポイントは、各マイクロポンプ１ａ，１ｂから合流点ＧＴに流れ込む流量比が、各マイクロポンプ１ａ，１ｂの発生圧力値から合流点ＧＴより下流部ＫＢでの圧力降下値を差し引いた値同士の比と略同一関係になることを利用する。そのような関係となるように、各マイクロポンプ１ａ，１ｂの駆動電圧の波形を逐次制御する。これによって、各マイクロポンプ１ａ，１ｂから所定の流量比の送液を達成し、所定の混合比を得る。
【００７８】
すなわち、各マイクロポンプ１ａ，１ｂについて、それぞれの流量をＱ１、Ｑ２とし、それぞれの発生圧力をＰ１、Ｐ２とし、合流点ＧＴよりも下流部ＫＢの流路抵抗による圧力損失（圧力降下）をＰ３とする。そうすると、次の（５）式、
Ｑ２／Ｑ１＝（Ｐ２−Ｐ３）／（Ｐ１−Ｐ３） …（５）
が成り立つ。
【００７９】
この（５）式は、変形することによって、次の（６）式のように表すことができる。
Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）＝（Ｐ２−Ｐ３）／（Ｐ１＋Ｐ２−２×Ｐ３）…（６）
具体例を挙げてさらに説明する。
【００８０】
図１２における流路２３ｃの断面が一辺１５０μｍの正方形であるとし、流路２３ｃの長さつまり下流部ＫＢの長さが６０ｍｍであるとする。下流部ＫＢに完全に液体を満たした状態で、第１のマイクロポンプ１ａの発生圧力を１．４ｋＰａで固定し、第２のマイクロポンプ１ｂの発生圧力を変化させ、これにより流量比を変化させる。そのときの発生圧力と流量比との関係が図１３に示されている。なお、流量比は、第２のマイクロポンプ１ｂによる流量つまり第２の流体の流量を、総流量で除した値である。図１３における実線は、上の条件による実測値である。破線は、下流部ＫＢに液体がないと仮定した場合つまり下流部ＫＢの圧力降下の影響がないと仮定した場合の推定値である。つまり、破線は、流量比が２つのマイクロポンプ１ａ，１ｂの発生圧力の比と同一になるとした場合である。
【００８１】
図１３において、実線と破線との乖離が下流部ＫＢの流路抵抗による影響分である。
ここで、第１のマイクロポンプ１ａからの流量と第２のマイクロポンプ１ｂからの流量との比を１対２にするにするための、第２のマイクロポンプ１ｂの発生圧力の適値を求める。なお、この場合には、総流量に対する第２のマイクロポンプ１ｂの流量の割合つまり流量比の目標値は「０．６７」となる。
【００８２】
まず最初に、比較のため、図１３の破線のように下流部ＫＢの流路抵抗の影響を考慮しないで計算した場合について示す。その場合において、各マイクロポンプ１ａ，１ｂの発生圧力は流量比に比例すると見込まれるので、第２のマイクロポンプ１ｂの適正な発生圧力は２．８０ｋＰａとかなり大きめに見積もられてしまう。
【００８３】
ところが、この系では、実際は下流部ＫＢの流路抵抗の影響があるので、図１３の実線のような流量特性を示す。そのため、上で求めた条件で駆動すると、実際の流量比は「０．８１」となって目標値である「０．６７」から大きくずれてしまう。
【００８４】
それに対して、第２の実施形態のように、下流部ＫＢの流路抵抗による圧力降下値を概算してその影響度合いを見積った場合の効果を、上の結果と比較しながら示す。第２の実施形態では、液体はいずれも粘度１．７ｃｐｓのものを用いているため、下流部ＫＢでの流路抵抗値Ｒは、（４）式から、およそ６．４×１０¹²（Ｎ・ｓ／ｍ⁵）である。このときの２つのマイクロポンプ１ａ，１ｂの流量の和はおよそ１００（ｎＬ／ｓ）であることから、下流部ＫＢの流路抵抗による圧力降下値は、（２）式の変形式から約０．６４（ｋＰａ）となる。
【００８５】
したがって、（５）式から、この場合の第２のマイクロポンプ１ｂの適正な発生圧力は２．１６（ｋＰａ）と算出される。
この発生圧力値を、図１３における実際の流量特性グラフにあてはめると、この発生圧力値で駆動した時の実際の流量比は「０．７１」となり、上の場合と比べて目標値「０．６７」に大幅に近づけることができる。これによって第２の実施形態の有効性が示される。
【００８６】
なお、第２の実施形態では、最初から流路２３ｃに完全に液体が充填された状態における例を示した。この場合、Ｐ３は設計時に算出可能な既知の定数であり、また、第１のマイクロポンプ１ａの発生圧力Ｐ１が１．４ｋＰａで固定であるため、目標流量比さえ決まれば（６）式から第２のマイクロポンプ１ｂが発生すべき発生圧力Ｐ２を計算できる。したがって、実際の送液に際しては、発生圧力と駆動電圧との関係をテーブルとして用意しておき、このテーブルを参照してマイクロポンプ１ａ，１ｂの各々に適した駆動電圧を供給すればよい。
【００８７】
一方で、合流点ＧＴより下流部ＫＢの流路抵抗値Ｒが時間経過とともに逐次変化するような場合においては、Ｐ３は時間とともに変化する。したがって、この場合には、時系列で上の方法を適用することもできる。
【００８８】
例えば、初期は流路２３ｃには液体が充填されておらず、送液が進むにつれて徐々に流路２３ｃが液体で満たされ、これにより徐々に流路抵抗が増えていくような場合、Ｐ３は定数ではなく変数となるが、マイクロポンプ１ａ，１ｂからの総送液量によってＰ３は予測可能である。したがって、総送液量とＰ３との関係をテーブルとして用意しておき、このテーブルを参照することでリアルタイムのＰ３の予測値を得ることができ、上記の場合と同様にしてマイクロポンプ１ａ，１ｂの各々に適した駆動電圧を供給すればよい。
【００８９】
更には、時間とともに２液の化学反応が進んで粘度が変化いく場合にも第２の実施形態は有効である。この場合、Ｐ３はマイクロポンプ１ａ，１ｂからの総送液量および時間をパラメータとする関数として表される。この関数を用いてＰ３の予測値を演算することができ、上記の場合と同様にしてマイクロポンプ１ａ，１ｂの各々に適した駆動電圧を供給することができる。
【００９０】
なお、これらの駆動条件は、上のように（６）式から求めたものを使ってもよく、また、その計算結果に対してある補正係数を掛け合わせたものを使ってもよい。
【００９１】
または、実験によって圧力と流量比のデータをとった結果であっても、その結果が破線の場合のように単に流量比を圧力比で代替したときよりも（６）式に近づく方向のものであれば、その値を用いても効果は得られる。
【００９２】
また、ある特定の条件のときだけの駆動条件をテーブルとして用意しておき、その他の様々な条件変化に対しては（６）式の関係と合致したパラメータ関係でデータを補正する方法も効果的である。
【００９３】
例えば、粘度１ｃｐｓのときだけの駆動データをテーブルで持っておき、粘度が変わった場合は（６）式において下流部ＫＢでの圧力降下Ｐ３を粘度に略比例して変化させて計算し、マイクロポンプ１ａ，１ｂの発生圧力の補正量を算出して駆動条件を補正する方法などがある。
【００９４】
第２の実施形態において、合流させる流体の種類や混合比（合流比）が予め分かっている場合には、第１の実施形態の場合と同様に、上のようにして得られた条件を例えば時刻ｔと駆動電圧Ｖとの制御テーブルとして持っておき、使用時にそのテーブルを読み出して用いればよい。また、いろんな流量比に対してそれぞれ液体の種類や粘度、温度ごとに異なる制御テーブルを持っておき、ユーザが条件を入力したり、センサによって検知された環境条件に基づいてその条件に適したテーブル値を自動的に参照させてもよい。また、制御テーブルにちょうど合致する条件が無い場合は、比較的条件が近いテーブルを（６）式と略合致する関係で補正したり、複数のテーブル間を（６）式と略合致する関係で補間するなどの方法が実用上は有効であると考えられる。
【００９５】
なお、第２の実施形態では、（６）式の関係を用いて所望の流量比を得ることを説明したが、実際には厳密にこの式に合わなくても、以下のような方向で補正を行うものであればある程度の効果を期待することができる。
【００９６】
例えば、合流点ＧＴよりも下流部ＫＢに流路抵抗があるときに、それぞれのマイクロポンプ１ａ，１ｂの発生圧力の比を所望の流量比よりも１対１から遠ざかる方向の比率になるような駆動条件で駆動してもよい。また、送液の途中で下流部ＫＢの流路抵抗値Ｒが増加するときに、それぞれのマイクロポンプ１ａ，１ｂの発生圧力の比を初期の比率よりも１対１から遠ざかる方向にシフトさせながら駆動するような駆動方法でもよい。これらの場合に、（６）式の関係を必ずしも厳密に満たさなくとも、本発明の目的をある程度達成することができる。
〔第３の実施形態〕
次に、第３の実施形態のマイクロ流体システムＭＳ３について説明する。
【００９７】
図１４は本発明に係る第３の実施形態のマイクロ流体システムＭＳ３の構成を模式的に示す図である。
第３の実施形態においては、第２の実施形態のマイクロ流体システムＭＳ２に対して、合流点ＧＴよりも下流部ＫＢにおけるメニスカス（気液界面）ＭＮの位置を検出するためのセンサＳＥ２が設けられている。このセンサＳＥ２は、直接的には位置を検出するものであるが、その検出信号に基づいて間接的に合流点ＧＴの圧力を求めることが可能である。このセンサＳＥ２は本発明におけるセンサに相当する。
【００９８】
すなわち、センサＳＥ２は、下流部ＫＢにおけるメニスカスＭＮの位置を複数時間ステップにわたって検出する。センサＳＥ２からは、メニスカスＭＮの位置に応じた電気信号が出力される。その電気信号は、センサインタフェース４２２を介してＣＰＵ４０Ｃに入力される。これによって、ＣＰＵ４０Ｃは、流路２３ｃへの液体の充填度とその速度を逐一把握し、その値に基づいて合流点ＧＴよりも下流での圧力降下値を算出する。そして、第２の実施形態において説明した方法で合流点ＧＴでの流量比を予測し、常にデータをフィードバックしながら所望の混合比となるように制御を行う。
【００９９】
このように、下流部ＫＢにおけるメニスカスＭＮの位置を検出することにより、下流部ＫＢにおける流路抵抗値Ｒおよび圧力降下値を正確に求めることができ、混合比を高精度に制御することが可能である。例えば、センサＳＥ２により、下流部ＫＢにおいてメニスカスＭＮが所定の２点間を通過する速さを測定することにより、比較的容易に流量を推測することができる。しかも、メニスカスＭＮによる位置の検出は比較的容易であるから、センサＳＥ２の構成およびその電気回路が簡易であり、コスト的に不利にならない。
【０１００】
図１４に示した例では、メニスカスＭＮの位置を検出するセンサＳＥ２を用いたが、これに代えて、またはこれとともに、合流点ＧＴの圧力を直接的に検出するセンサ、その他のセンサを用いてもよい。
【０１０１】
次に、本実施形態におけるマイクロポンプ１の制御方法の特徴点をフローチャートによって説明する。
図１５は第１の実施形態におけるマイクロポンプ１の制御方法を示すフローチャート、図１６は第２の実施形態におけるマイクロポンプ１の制御方法を示すフローチャートである。
【０１０２】
図１５において、マイクロポンプ１の作動による流路中の流体の量の変化に基づく流路抵抗の変化の予測値として、作動開始からの時間を取得する（＃１１）。そして、制御テーブルＴＢを参照して、取得した時間に対応する駆動電圧を読み出し、この駆動電圧をマイクロポンプ１に供給し（＃１２）、これにより流路における流量が目標値となるように制御する。
【０１０３】
図１６において、マイクロポンプ１ａ，１ｂの発生圧力Ｐ１，Ｐ２、および、合流点ＧＴよりも下流部ＫＢの流路抵抗による圧力降下値（圧力損失）Ｐ３を演算により求めまたは取得する（＃２１）。そして、（ア）発生圧力Ｐ１，Ｐ２から下流部ＫＢにおける圧力降下値Ｐ３をそれぞれ差し引いた値の互いの比が、各マイクロポンプ１ａ，１ｂから送出される流体の目標混合比に略等しくなるように、つまり上の（５）式を満足するように、また、（イ）目標送液量を略実現できるように、各マイクロポンプ１ａ，１ｂに供給する駆動電圧を制御する（＃２２）。
【０１０４】
上に述べたように、第１の実施形態のマイクロ流体システムＭＳ１によると、初期状態で空気が存在していた流路２３に流体を送るとき、従来では流速が徐々に遅くなっていたものが一定の流速で送出できるようになった。また、一定の流速ではなく、変化する目標流速をユーザが設定し、その目標流速となるように制御することができる。
【０１０５】
また、第２の実施形態のマイクロ流体システムＭＳ２によると、複数のマイクロポンプ１から所定の流量比（混合比）で送液したいときに、その流量比に及ぼす下流部ＫＢの流路抵抗の影響の程度が、時間依存を含めて把握できるようになり、正確な流量比で送液することが可能となる。そして、従来において必要だった流量センサやフィードバック系の回路などが不要になり、または簡素化され、より簡易な構成で低コストのマイクロ流体システムを構成することができる。
【０１０６】
上に述べた種々の実施形態においては、圧電素子３４に略三角波形の駆動電圧を印加したが、これ以外の種々の波形の駆動電圧を用いることも可能である。
上の図８および図９で説明したマイクロ流体システムＭＳ１において、第２流路１２６は図１に示すリザーバ２２に相当する。また、第１流路１２４は図１２に示す流路２３ａまたは２３ｂに相当する。
【０１０７】
上に述べた種々の実施形態および変形例において、マイクロ流体システムＭＳ１，２，３の平面形状として、正方形、長方形、多角形、円形、楕円形、その他の種々の形状とすることが可能である。マイクロポンプ１を制御するための駆動回路３６、ＣＰＵ４０，４０Ｃ、その他の制御回路は、ハードウエア回路により、または適当なソフトウエアを用いることにより、またはそれらの組み合わせによって実現することが可能である。その他、マイクロ流体システムの全体または各部の構造、形状、寸法、個数、材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
【０１０８】
本発明に係るマイクロ流体システムは、環境、食品、生化学、免疫学、血液学、這伝子分析、合成、創薬など、さまざまな分野で用いることができる。
本発明には以下の付記に記載するような発明が含まれる。
【０１０９】
［付記１］
マイクロボンプによる送液にともなって流路の流路抵抗値が逐次変化するようなマイクロ流体システムにおいて、予め流路抵抗の変化率を予測しておき、その予測値をもとに一定流量で送液するためのマイクロポンプ駆動条件補正データテーブルを用意しておき、そのデータによってマイクロポンプ駆動条件を補正して一定流量制御を実現する流量補正方法。
【０１１０】
［付記２］
マイクロポンプによる送液にともなって流路中に液体が満たされた領域と液体が満たされていない領域の境界面が時間とともに移動するようなマイクロ流体システムに関して、液体の充填度が高くなったときに、液体の充填度が低いときよりもマイクロポンプの発生圧力を高めるような駆動条件に変更することにより、一定の駆動電圧波形で駆動するときよりも流量を一定に近づけるような流量補正方法。
【０１１１】
［付記３］
マイクロポンプによる送液にともなって流路の流路抵抗値が逐次変化するようなマイクロ流体システムにおいて、ある時刻ｔにおいて、ポンプの発生圧力の初期からの増減量を△Ｐ（ｔ）、流路の流路抵抗値の初期からの増減量を△Ｒ（ｔ）、その時刻ｔにおける目標流量をＱ（ｔ）としたとき、各時刻ｔにおいて常に〔ΔＰ（ｔ）〕＝Ｑ（ｔ）×〔△Ｒ（ｔ）〕の関係になるようにマイクロポンプの発生圧力を調節することによって、任意の時間に対して任意の流量で送液を行う方法。
【０１１２】
［付記４］
マイクロポンプを複数個有し、これらのマイクロポンプから連通する流路同士が合流するタイプのマイクロ流体システムにおいて、
それぞれのマイクロポンプの発生圧力値から合流点より下流部（マイクロポンプから遠い部分）での圧力降下値を差し引いた値を互いに比較した時の比率が、各マイクロポンプから合流部に流れ込む流量の比率と略同一になるように各マイクロポンプの発生圧力を制御することによって、各マイクロポンプから合流部に流れ込む流量の比率を所望の値に制御する流量制御方法。
【０１１３】
［付記５］
付記４において、合流点より下流部の流路抵抗値が時間経過にしたがって逐次変化するような場合において、その流路抵抗値の変化による前記圧力降下値の変化を予測するか、または合流点の圧力または合流点より下流の流量などを検知することにより前記圧力降下値の変化を算出し、その値をもとに所望の流量比で送液できるように制御する流量制御方法。
【０１１４】
［付記６］
マイクロポンプを複数個有し、これらのマイクロポンプから連通する流路同土が合流するタイプのマイクロ流体システムにおいて、
合流点より下流部の液体の充填度が高いときのそれぞれのマイクロポンプの発生圧力の比を、液体の充填度が低いときの比率よりも１対１から遠ざかる方向にシフトさせることにより、充填度によらず同じ駆動条件で駆動する場合と比べて充填度が変わったときの流量比の変化を減少させるような効果が得られるような流量比の制御方法。
【０１１５】
［付記７］
付記１〜６において、流量または流量比を時間依存による変化を含めて予め決まったシーケンスで送液するためのマイクロポンプ駆動条件補正データテーブルを持ち、
そのデータテーブルには、液体の種類、液体の粘度、環境温度などの条件ごとに異なるテーブル値を持ち、
それらの条件を作業者が入力するか、またはセンサによって検知されたそれらの情報に基づいてその条件に適したテーブル値を自動的に参照するか、またはそれに近い条件でのテーブル値からその条件に適したテーブル値に自動的にデータ変換したものを用いることにより、使用環境が異なっても常に同様の送液を行うことを可能とした流量制御方法。
【０１１６】
【発明の効果】
本発明によると、マイクロポンプを制御して流路における流体の流量を目標値に近づけることができる。
【０１１７】
特に、請求項１、２、４の発明によると、例えば従来では流速が目標値よりも徐々に遅くなっていたものが略目標値通りの流速で送出できるようになる。
また請求項３、５の発明によると、複数のマイクロポンプから所定の流量比（混合比）で送液したいときに、その流量比に及ぼす下流部の流路抵抗の影響の程度が、時間依存を含めて把握できるようになり、正確な流量比で送液することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態のマイクロ流体システムの構成を模式的に示す平面図である。
【図２】第１の実施形態のマイクロポンプの正面断面図である。
【図３】開口部の流路抵抗特性の例を示す図である。
【図４】圧電素子の駆動電圧の波形の例を示す図である。
【図５】圧電素子の駆動電圧の波形の例を示す図である。
【図６】流路における液体の充填長さを示す図である。
【図７】時刻ｔと駆動電圧Ｖとの関係の例を示す制御テーブルである。
【図８】マイクロ流体システムの斜視図である。
【図９】マイクロ流体システムの正面断面図である。
【図１０】マイクロポンプチップの平面図である。
【図１１】流路チップの平面図である。
【図１２】本発明に係る第２の実施形態のマイクロ流体システムの構成を模式的に示す平面図である。
【図１３】第２の実施形態における流量制御の原理を説明するための図である。
【図１４】本発明に係る第３の実施形態のマイクロ流体システムの構成を模式的に示す図である。
【図１５】第１の実施形態におけるマイクロポンプの制御方法を示すフローチャートである。
【図１６】第２の実施形態におけるマイクロポンプの制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
ＭＳ１〜３マイクロ流体システム
１，１ａ，１ｂマイクロポンプ
２３流路
２３ｃ流路
３４圧電素子
３６駆動回路（電圧制御部）
４０，４０ＣＣＰＵ（電圧制御部）
ＴＢ１，ＴＢ１ａ，ＴＢ１ｂ制御テーブル（テーブル）
ＧＴ合流点
ＫＢ下流部
ＳＥ２センサ

Claims

マイクロポンプによって流体を流路に送出するように構成されたマイクロ流体システムにおけるマイクロポンプの制御方法であって、
前記マイクロポンプの作動による前記流路中の前記流体の量の変化に基づく流路抵抗の変化の予測値に関する情報を取得し、取得した前記情報に基づいて前記マイクロポンプを駆動するための電気信号を制御し、これにより前記流路における流量が目標値となるように制御する、
ことを特徴とするマイクロポンプの制御方法。
マイクロポンプによって流体を流路に送出するように構成されたマイクロ流体システムにおけるマイクロポンプの制御方法であって、
時刻ｔにおけるマイクロポンプの発生圧力の初期からの増減量をΔＰ（ｔ）とし、時刻ｔにおける流路の流路抵抗値の初期からの増減量をΔＲ（ｔ）とし、時刻ｔにおける目標流量をＱ（ｔ）としたときに、各時刻において
ΔＰ（ｔ）＝Ｑ（ｔ）×ΔＲ（ｔ）
の関係が成り立つように、前記マイクロポンプの発生圧力を調節し、これにより前記流路における流量が目標流量となるように制御する、
ことを特徴とするマイクロポンプの制御方法。
複数のマイクロポンプによって複数の流体を送出して合流させるように構成されたマイクロ流体システムにおけるマイクロポンプの制御方法であって、
前記複数のマイクロポンプについて、その発生圧力から合流点より下流における圧力降下値を差し引いた値の互いの比が、各マイクロポンプから送出される流体の混合比に略等しくなるように、前記各マイクロポンプを駆動するための電気信号を調整してその発生圧力を制御する、
ことを特徴とするマイクロポンプの制御方法。
マイクロポンプによって流体を流路に送出するように構成されたマイクロ流体システムであって、
前記マイクロポンプの作動時間と前記マイクロポンプの作動による前記流路中の前記流体の量の変化に基づく流路抵抗の変化分をキャンセルするに必要な電圧を加味した電圧値との関係を記憶したテーブルと、
前記マイクロポンプの作動の開始後に前記テーブルを参照して前記マイクロポンプを駆動するための電気信号を制御する電圧制御部と、
を有することを特徴とするマイクロ流体システム。
複数のマイクロポンプによって複数の流体を送出して合流させるように構成されたマイクロ流体システムであって、
前記複数の流体の合流点における圧力を検出するためのセンサと、
前記複数のマイクロポンプについて、その発生圧力から前記センサの検出圧力を差し引いた値の互いの比が、各マイクロポンプから送出される流体の混合比に略等しくなるように、前記各マイクロポンプを駆動するための電気信号を制御する電圧制御部と、
を有することを特徴とするマイクロ流体システム。