マイクロポンプ、マイクロバルブおよび送液制御装置
【課題】簡単な構成で作製に手間がかからないマイクロポンプ、マイクロバルブおよび送液制御装置を提供する。
【解決手段】貫通孔１１を少なくとも１つ形成した形状記憶合金シート１２と、チューブ状の弾性部材１３と、形状記憶合金シート１２に電流を流すための電極１４，１５と、電極１４，１５に電圧を印加して電流を制御する制御部１６と、を備え、弾性部材１３は、形状記憶合金シート１２の貫通孔１１に挿入されて、固定されている。
【解決手段】貫通孔１１を少なくとも１つ形成した形状記憶合金シート１２と、チューブ状の弾性部材１３と、形状記憶合金シート１２に電流を流すための電極１４，１５と、電極１４，１５に電圧を印加して電流を制御する制御部１６と、を備え、弾性部材１３は、形状記憶合金シート１２の貫通孔１１に挿入されて、固定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロポンプ、マイクロバルブおよび送液制御装置に関し、特に、化学、生物学、医学、ナノテクノロジー等の研究分野で用いられる、微量な流体を制御して送液するマイクロポンプ、マイクロバルブおよび送液制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、チップ上で化学反応を進行させ分析を行う微小化学分析システム（μTAS）、あるいは、ガラス等の小さな基板に微細な溝やくぼみを刻んだチップに、化学反応、細胞培養、分離検出等のラボプロセス（実験室での工程）を集積化させたラボ・オン・チップ（実験室チップ、Lab on a Chip）の研究が、活発に行われている。これは、上述のように、従来の分析システムあるいは化学実験室を、手のひらに乗る程度まで微小化しようとするものである。
【０００３】
分析システム等を微小化することにより、（１）サンプル、試薬量の微量化、（２）応答の高速化、（３）ハイスル−プット化、などの効果が実現される。これら微小化された分析システム（以下、微小システムという）の用途はさまざまであるが、このような微小システム上では、微量な流体を制御して送液することが必要となる。特に、すべての要素が集積化された送液装置の実現が期待される。
【０００４】
微量な流体を制御して送液する装置として、機械的なマイクロポンプ、マイクロバルブの研究が進められており、ピエゾ素子を利用したもの、静電応力による変位を利用したもの、形状記憶合金を利用したもの、電極表面の濡れ性の変化（エレクトロウェッテイング）を利用したもの、空気圧制御によるもの等、多数開発されている。これらについては、幾つかのレビューで紹介されている（非特許文献１）。
【０００５】
上記のマイクロポンプのうち、形状記憶合金をマイクロポンプの駆動用のアクチュエータとして用いられるものは、形状記憶合金がシンプルな構造で出力エネルギー密度が高いため、いくつか提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００６】
特許文献１では、形状記憶合金コイルばねと弾性を有するパイプと一方向弁とを組み合わせ、構造が簡単で小型化が容易な微量液体を搬送するマイクロポンプを開示している。そのマイクロポンプは、シリコンゴム等の弾性体からなるパイプの壁中に、パイプと同心状で一体に形状記憶合金コイルばねを埋め込み、パイプの吸入口と排出口に吸入側一方向弁と排出側一方向弁を取り付け、形状記憶合金コイルばねの両端の通電加熱用電極に電流を通電、停止することにより、形状記憶合金コイルばねを埋め込んだパイプを収縮、伸長するものである。
【０００７】
特許文献２では、開閉弁を不要とし、脈流を抑えて微量流体を供給することができる、メンテナンスの良いマイクロポンプを開示している。そのマイクロポンプは、流体の流れる流路を構成するパイプと、パイプを保持し、流体の入口を構成する第１筐体および流体の出口を構成する第２筐体と、パイプの内部に長手方向に向かって所定の間隔を介して配置されると共に、形状記憶合金などで構成された複数個のリング状からなるアクチュエータと、アクチュエータにそれぞれ独立して接続されると共に、アクチュエータを個別に動作させることができるよう、熱電素子などの駆動源と駆動源を個別に制御するためのコントローラとより構成されている。
【０００８】
特許文献３では、簡単な構成で比較的大きな圧送圧力により流体を微量で送ることができ、しかも冷却性が高く応答速度に優れた形状記憶合金等の形状記憶性を有するコイルを駆動源とした小型ポンプが開示されている。その小型ポンプは、形状記憶性を有するコイルと、絶縁性を有し且つ高硬度の耐熱部材、チューブ状の弾性部材、チューブ状の弾性部材の両端に設けられた吸入部と排出部、吸入部と排出部にそれぞれ設けられた吸入弁と排出弁及びコイルへの通電を制御する制御回路からなるとともに、耐熱部材は弾性部材とコイルとの間にあり、弾性部材を取り囲むように配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−１５９２５０号公報
【特許文献２】特開２００３−１８４７５５号公報
【特許文献３】特開２００７−１５４７９１号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】D.J Laser et al. J.Micromech. Microeng. 14(2004)R35.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来、マイクロフルーイディックデバイスにおける送液制御では、マイクロシリンジポンプ等の外部装置を接続する必要があった。また、ポンプ、バルブをチップ上に集積化、複合化する試みもあるが、多数のポンプ、バルブを集積化、複合化するのは容易ではない。また、市販されているポンプ、バルブに匹敵する性能を実現するのも容易ではない。そして、特許文献１〜３に開示される従来のマイクロポンプにおいては、作製に手間がかかるという問題があった。例えば、特許文献１に開示されるマイクロポンプでは、シリコンゴム等の弾性体からなるパイプの壁中に、パイプと同心状で一体に形状記憶合金コイルばねを埋め込む必要がある。また、特許文献２に開示されるマイクロポンプでは、形状記憶合金などで構成された複数個のリング状からなるアクチュエータを用いる必要がある。さらに、特許文献３に開示されるマイクロポンプでは、形状記憶合金をコイル状にする必要がある。
【００１２】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、簡単な構成で作製に手間がかからないマイクロポンプ、マイクロバルブおよび送液制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るマイクロポンプ、マイクロバルブおよび送液制御装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
第１のマイクロポンプ（請求項１に対応）は、貫通孔を少なくとも１つ形成した形状記憶合金シートと、チューブ状の弾性部材と、形状記憶合金シートに電流を流すための電極と、電極に電圧を印加して電流を制御する制御部と、を備え、弾性部材は、形状記憶合金シートの貫通孔に挿入されて、固定されていることを特徴とする。
第２のマイクロポンプ（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、形状記憶合金シートの両端は、接続端子によって導線へと接続され、導線は電源とスイッチ等からなる制御部に接続されており、制御部は、形状記憶合金シートへの電気的導通を制御し、形状記憶合金シートに電流を流したとき加熱し、電流を流さないとき自然冷却して相変態を起こすことにより弾性部材を変形させ送液動作を行うことを特徴とする。
第３のマイクロポンプ（請求項３に対応）は、第１または第２のマイクロポンプを複数個配列し、順次動作させることにより、溶液を連続的に送液することを特徴とする。
第１のマイクロバルブ（請求項４に対応）は、貫通孔を少なくとも１つ形成した形状記憶合金シートと、チューブ状の弾性部材と、形状記憶合金シートに電流を流すための電極と、電極に電圧を印加して電流を制御する制御部と、を備え、弾性部材は、形状記憶合金シートの貫通孔に挿入されて、固定されていることを特徴とする。
第２のマイクロバルブ（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは、形状記憶合金シートの両端は、接続端子によって導線へと接続され、導線は電源とスイッチ等からなる制御部に接続されており、制御部は、形状記憶合金シートへの電気的導通を制御し、形状記憶合金シートに電流を流したとき加熱し、電流を流さないとき自然冷却して相変態を起こすことにより弾性部材を変形させ開閉動作を行うことを特徴とする。
第１の送液制御装置（請求項６に対応）は、２つの流路を有し、一方の流路は、他方の流路にＴ字型に連結し、一方の前記流路の端部には、上記第１〜第３のいずれかに記載のマイクロポンプが接続され、他方の流路の端部にも、上記第１〜第３３のいずれかに記載のマイクロポンプが接続されており、一方の流路を流れ、Ｔ字型連結部に液体プラグが位置したときに２つのマイクロポンプの動作を制御することにより、液体プラグの分割、混合、計量のいずれかを行うことを特徴とする。
第２の送液制御装置（請求項７に対応）は、上記の構成において、好ましくは、他方の流路は、菱形の区画が連続的に連なった構造を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡単な構成で作製に手間がかからないマイクロポンプ、マイクロバルブおよび送液制御装置を提供することができる。そして、本発明を用いれば、単純かつ強力で、確実に動作するマイクロポンプが実現できる。しかも、構造が単純であるため、他の機能、例えばセンシング機能との集積化、複合化も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の本実施形態に係るマイクロポンプの外観図である。
【図２】本発明の本実施形態に係るマイクロポンプの外観図である。
【図３】本発明の本実施形態に係るマイクロポンプの作用について説明する図である。
【図４】本発明の本実施形態に係るマイクロポンプを用いた送液制御装置の模式図である。
【図５】形状記憶合金（ＳＭＡ）シートとチューブの組み合わせによるいくつかの異なった動作モードを示す図である。
【図６】形状記憶合金（ＳＭＡ）の特性を調べるために行った示差走査熱量測定（ＤＳＣ）の測定結果を示すグラフである。
【図７】それぞれのＳＭＡシートにパルス電力を印加したときの液体プラグのメニスカスの変位を示すグラフである。
【図８】２つのＳＭＡシートにパルス電力を印加したときの液体プラグのメニスカスの変位を示すグラフである。
【図９】図４で示された送液制御装置を用いての実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１と図２は、本発明の本実施形態に係るマイクロポンプの外観図である。図１は、後述の制御部１６のスイッチ１６ａをオフにした状態を示す図であり、図２は、後述の制御部１６のスイッチ１６ａをオンにした状態を示す図である。マイクロポンプ１０は、貫通孔１１を少なくとも１つ形成した形状記憶合金シート１２と、シリコーンチューブ等のチューブ状の弾性部材１３と、形状記憶合金シート１２に電流を流すための電極１４，１５と、電極１４，１５に電圧を印加して電流を制御する制御部１６を備えている。
【００１８】
形状記憶合金シート１２の両端は、接続端子（電極１４，１５）によって導線１７，１８へと接続され、導線は電源とスイッチ等からなる制御部１６に接続されている。その制御部１６は、形状記憶合金シート１２への電気的導通を制御し、形状記憶合金シート１２に電流を流したとき加熱し、電流を流さないとき自然冷却して相変態を起こすことにより弾性部材１３を変形させ送液動作を行う。なお、この制御部１６にはスイッチ１６ａのオンオフを自動的に制御できるリレー等を設けることができる。
【００１９】
シリコーンチューブ等のチューブ状の弾性部材１３は、形状記憶合金シート１２の貫通孔に挿入されて、固定されている。
【００２０】
次に、上記構成をした本実施形態に係るマイクロポンプの動作原理について図３を参照して説明する。まず、制御部１６のスイッチ１６ａをオンすると、形状記憶合金シート１２に電気が導通するようになり、これ自体が抵抗体でもあることから加熱される。すると、形状記憶合金シート１２は、マルテンサイト相からオーステナイト相への相変態温度まで上昇すると平板状になり、形状記憶された状態に戻ることになる。このとき、形状記憶合金シート１２により、貫通孔を形成しているブリッジ部１９によってチューブ状の弾性部材１３は押し潰される（図３（ｂ））。
【００２１】
一方、スイッチ１６ａをオフにすると、形状記憶合金シート１２への電気的導通は停止され、形状記憶合金シート１２のチューブ状の弾性部材１３に接している部分以外は大気中に曝されている状態なので急速に冷却される。すると、形状記憶合金シート１２は徐々にオーステナイト相から低い抗張力からなるマルテンサイト相へと相変態して伸長していくようになり、ブリッジ部１９によりチューブ状の弾性部材１３を内側へ圧縮する力は弱くなっていく。これにより、圧縮されていたチューブ状の弾性部材１３は蓄積していた弾性エネルギーを発散させるように外側へ徐々に膨張していき、元の形状へ戻っていく。
【００２２】
ところで、チューブ状の弾性部材１３が圧縮したときには、この中の容積は小さくなるとともに圧力は高くなるため、チューブ状の弾性部材１３内に入っていた気体や液体は、排出部へ排出される。一方、チューブ状の弾性部材１３が膨張したときには、この中の容積は大きくなるとともに圧力は低くなるため、吸入部にあった気体や液体は、チューブ状の弾性部材１３内へ吸入される。
【００２３】
このように、形状記憶合金シート１２に電流を流し、加熱する。形状記憶合金シート１２に平坦な形状を記憶させておけば、これによりシリコーンチューブ等のチューブ状の弾性部材１３は押し潰される。シリコーンチューブ等のチューブ状の弾性部材１３の一端を閉じ、中に液体または空気を満たすと、この変化により液体を移動させたり、加圧することができる。
【００２４】
以上のことから、制御部１６のスイッチ１６ａのオンオフ動作を連続的に繰り返すことによりこれに呼応したポンプ駆動源としての形状記憶合金シート１２の連続的な伸縮動作を得ることができ、これに伴って結果的にチューブ状の弾性部材１３の弾性により伸縮運動へとつながっていく。これにより、ある一定の流量の流体を一定の圧力で移動させるポンプとしての機能を果たすことができるようになる。なお、スイッチ１６ａのオンオフに至る時間間隔を制御することにより、マイクロポンプ１０の流量を調整することができる
【００２５】
なお、上記の実施形態では、１つのマイクロポンプ１０を説明したが、マイクロポンプを複数個配列し、順次動作させることにより、溶液を連続的に送液するようにしても良い。そのときには、複数のマイクロポンプそれぞれに、電流を流すことを制御する制御部を統合的に制御する制御装置を設けることにより、複数のマイクロポンプを連動して制御することができる。
【００２６】
次に、図４を参照してマイクロポンプを応用した送液制御装置について説明する。
【００２７】
近年、微小化学分析システム（μＴＡＳ）中での溶液処理において、液体プラグを用いる方法が注目を集めている。液体プラグは微小流路中に存在する液体の断片であり、プラグ間は空気や油など疎水性の物質で隔てられている。従来の連続流体を用いる方式と比べ、試薬量の大幅な低減、多種類の溶液の効率的操作、混合の迅速化等の利点がある。
【００２８】
図４で示すマイクロポンプ１０を応用した送液制御装置３０は、２つの流路３１，３２を有し、一方の流路３１は、他方の流路３２にＴ字型に連結した連結部３３を有している。一方の流路３１の端部３４には、複数のマイクロポンプ１０からなるポンプ部Ａが接続されている。また、他方の流路３２の端部３５にも、複数のマイクロポンプ１０からなるポンプ部Ｂが接続されている。さらに、一方の流路３１には、液体の注入や抽出を行う開口部３６が設けられている。なお、図４では、マイクロポンプ１０を複数設けているが、端部３４と端部３５にそれぞれ１つずつのマイクロポンプ１０を設けるようにしても良い。そのとき、流路を形成しているチップ４０上にシリコーンゴムなどの弾性体を挿入してマイクロポンプの形状記憶合金シートを固定することにより、チップ上に搭載することができる。このときのシリコーンゴムなどの弾性体は、形状記憶合金シートのオンオフで変形したときにもチップとの固定を保つための緩衝部としての役割を持つ。一方の流路３１は、例えば、幅６００μｍ、高さ４０〜５２０μｍである。
【００２９】
また、他方の流路３２は、菱形の区画が連続的に連なった構造を有している。予めこの一つ一つの菱形の容積を定まった一定のものとしておくことにより、液体が何個の菱形の区画に溜まったかを計数することにより高精度の微量計量を可能とした。
【００３０】
この送液制御装置３０では、一方の流路３１を流れ、Ｔ字型連結部３３に液体プラグ５０が位置したときにポンプ部Ａ，Ｂのマイクロポンプ１０の動作を制御することにより、液体プラグの連結、分割、混合、計量のいずれかを行うことができる。
【００３１】
次に、この送液制御装置３０を用いての液体プラグの計量、分割、混合を説明する。液体プラグの計量は、まず、開口部３６から液体プラグ５０を注入する。次に、マイクロポンプを動作させ、液体プラグ５０をＴ字型連結部３３まで引き込む。液体プラグ５０がＴ字型連結部３３に到達したら、ポンプ部Ｂのマイクロポンプ１０を動作させ、他方の流路３２に液体プラグ５０を引き込む。液体プラグ５０が何個の菱形の区画に溜まったかを計数する。溜まった個数と菱形区画の容積を掛けることにより液体プラグの計量をすることができる。
【００３２】
液体プラグの分割は、まず、一方の流路３１に導入された液体プラグ５０をポンプ部Ａのマイクロポンプ１０によってＴ字型連結部３３まで引き寄せ、液体プラグ５０がＴ字型連結部３３に位置するときに、ポンプ部Ｂのマイクロポンプ１０を動作することにより液体プラグ５０の一部分をこの他方の流路３２に引き込み、その状態で一方の流路３１に残る液体をポンプ部Ａのマイクロポンプ１０を動作することにより移動させることにより行う。
【００３３】
また、Ｔ字型連結部３３に位置する２つの液体プラグ５０，５０間の空気をポンプ部Ｂのマイクロポンプ１０を動作することによって引き抜くことによって混合も可能となる。
【００３４】
なお、上記実施形態では、２つの流路３１，３２で説明したが、２つ以上の流路を設け、マイクロポンプ１０もポンプ部Ａ，Ｂの２カ所のみではなく、より多数の位置にマイクロポンプを設け、多数集積化、複合化をするようにしても良い。
【００３５】
また、マイクロポンプ１０は、流路の途中に設けることにより、バルブ（マイクロバルブ）としても用いることができる。バルブとして用いたときの動作原理について図３を参照して説明する。まず、制御部１６のスイッチ１６ａをオンすると、形状記憶合金シート１２に電気が導通するようになり、これ自体が抵抗体でもあることから加熱される。すると、形状記憶合金シート１２は、マルテンサイト相からオーステナイト相への相変態温度まで上昇すると平板状になり、形状記憶された状態に戻ることになる。このとき、形状記憶合金シート１２により、貫通孔を形成しているブリッジ部１９によってチューブ状の弾性部材１３は押し潰される（図３（ｂ））。
【００３６】
一方、スイッチ１６ａをオフにすると、形状記憶合金シート１２への電気的導通は停止され、形状記憶合金シート１２のチューブ状の弾性部材１３に接している部分以外は大気中に曝されている状態なので急速に冷却される。すると、形状記憶合金シート１２は徐々にオーステナイト相から低い抗張力からなるマルテンサイト相へと相変態して伸長していくようになり、ブリッジ部１９によりチューブ状の弾性部材１３を内側へ圧縮する力は弱くなっていく。これにより、圧縮されていたチューブ状の弾性部材１３は蓄積していた弾性エネルギーを発散させるように外側へ徐々に膨張していき、元の形状へ戻っていく。
【００３７】
ところで、チューブ状の弾性部材１３が圧縮したときには、チューブ状の弾性部材１３によって形成されていた流路が閉じられ、チューブ状の弾性部材１３内を流れていた気体や液体は、流れなくなる。一方、チューブ状の弾性部材１３が膨張したときには、チューブ状の弾性部材１３によって形成されていた流路が開かれ、チューブ状の弾性部材１３内を気体や液体が流れるようになる。
【００３８】
このように、形状記憶合金シート１２に電流を流したり、電流を流さないようにすることによって流路を閉じたり開いたりすることができるバルブ（マイクロバルブ）として用いることができる。
【００３９】
図５は、形状記憶合金（ＳＭＡ）シートとチューブの組み合わせによるいくつかの異なった動作モードを示す図である。図５Ａで示される配置で、単一のＳＭＡシート６０が用いられ、チューブ６１の片端がクリップ６２により閉じられる。チューブ６１が潰されているとき、チューブ６１の中の溶液は前方（矢印６３の方向）に移動する(図５Ａ（２））。他方では、潰れているチューブ６１が原形に回復されるとき溶液は後ろ（矢印６４の方向）へ移動する(図５Ａ（３)）。単一のＳＭＡシートによってもたらされる変位は、それほど大きくないが、複数のＳＭＡシートを使用することによって溶液がもたらされる変位を大きくすることができる。
【００４０】
図５Ｂは、２つのＳＭＡシートを使用する構成を示す図である。ここでは、２つのＳＭＡシートＰ１，Ｐ２だけを使用した例を示すが、２つ以上のＳＭＡシートを用いた構成でも良い。ＳＭＡシートＰ１は、チューブ６７を完全に閉じるのにバルブとして使用される。ＳＭＡシートＰ２は、マイクロポンプ１０のようにプッシュプル運動を引き起こすために使用される。
【００４１】
まず、溶液を前方へ動かせるために、ＳＭＡシートＰ１が完全に閉じられる（図５Ｂ(２))。電流がＳＭＡシートＰ２に流されると、ＳＭＡシートＰ２は加熱され、形状が変化しチューブ６７を潰し、溶液が矢印６８の方向に移動する(図５Ｂ（３）)。その後、両方のＳＭＡシートＰ１，Ｐ２に流す電流をオフし、冷却され、チューブ６７による流路が開かれる（図５Ｂ（４））。上記手順を繰り返すことによって、溶液を同じ方向により遠くに、そして、より遠くに動かすことができる。
【００４２】
溶液を逆方向に動かすためには、ＳＭＡシートＰ２が最初に、チューブ６７を潰すために加熱される(図５Ｂ（６）)。次に、ＳＭＡシートＰ１が閉じられる(図５Ｂ（７）)。次に、ＳＭＡシートＰ２の電流をオフし、チューブ６７をあけることにより溶液が矢印６９の方向に移動する(図５Ｂ（８）)。その後、ＳＭＡシートＰ１に流れる電流をオフし、チューブ６７による流路を開く(図５Ｂ（９）)。上記手順を繰り返すことによって、溶液を逆の同じ方向により遠くに、そして、より遠くに動かすことができる。
【００４３】
次に、本実施形態に係るマイクロポンプに関する実験結果を示す。
【００４４】
図６は、形状記憶合金（ＳＭＡ）の特性を調べるために行った示差走査熱量測定（ＤＳＣ）の測定結果を示すグラフである。横軸は、温度を示し、縦軸は、熱流を示す。曲線Ｃ１１は、温度を増加するときのＤＳＣ曲線であり、曲線Ｃ１２は、温度を減少させるときのＤＳＣ曲線である。形状記憶合金は、温度の増加で、主にオーステナイトから成る変化が、５０℃（Ａｓ）で始まり、５５℃(Ａｆ)で終わることが分かる。また、形状記憶合金は、マルテンサイト変態が、温度の減少とともに、５０℃(Ｍｓ)で始まり、４５℃(Ｍｆ)で終わることが分かる。
【００４５】
次に、本実施形態に係るマイクロポンプの性能を示す。マイクロポンプ１０は、溶液の変位が小さく制限される。また、電流をオフした後の冷却ステップで完全に冷却するためには数１０秒かかる。この問題を解決するために、溶液の移動運動を引き起こすために複数のＳＭＡシートを使用する。このことを確かめるために、２つのＳＭＡシートを１．３ｍｍの離して使用した。
【００４６】
図７は、それぞれのＳＭＡシートにパルス電力を印加したときの液体プラグのメニスカスの変位を示すグラフである。横軸は、時間を表し、縦軸は、液体プラグのメニスカスの変位を示す。バーＢは、５．０ｍｍの変位の長さを示している。曲線Ｃ２１は、符号Ｐ１１で示す１．６Ｗの電力をＳＭＡシートに５秒間印加して５秒間オフにするというサイクルを繰り返し行ったときの液体プラグのメニスカスの変位を示す。曲線Ｃ２２は、符号Ｐ１２で示す３．２Ｗの電力をＳＭＡシートに２．５秒間印加して７．５秒間オフにするというサイクルを繰り返し行ったときの液体プラグのメニスカスの変位を示す。曲線Ｃ２３は、符号Ｐ１３で示す８．０Ｗの電力をＳＭＡシートに１秒間印加して９秒間オフにするというサイクルを繰り返し行ったときの液体プラグのメニスカスの変位を示す。符号Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３で示すサイクルの平均電力は、同じである。符号Ｐ１１で示すサイクルの電力を繰り返し印加したとき、液体プラグのメニスカスの変位は、飽和し、数サイクル後に変位の変化がほとんど観測されなくなった。また、符号Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３のサイクルの電力の繰り返しの印加による液体プラグのメニスカスの変位の変化は、異なっていることが分かり、符号Ｐ１３で示すより短いパルスでは、符号Ｐ１１で示すパルスの印加に比べて液体プラグの変位の変化の飽和がし難くなっていることが分かる。
【００４７】
図８は、２つのＳＭＡシートにパルス電力を印加したときの液体プラグのメニスカスの変位を示すグラフである。横軸は、時間を表し、縦軸は、液体プラグのメニスカスの変位を示す。バーＤは、１０ｍｍの変位の長さを示している。曲線Ｃ３１は、ＳＭＡシートＰ１、Ｐ２にそれぞれ符号Ｐ２１、Ｐ２２で示すパルス電力を印加したときの液体プラグのメニスカスの変位を示す。図８中の符号（１）〜（９）は、図５Ｂ（１）〜（９）で示したＳＭＡシートＰ１、Ｐ２の状態のときに対応する液体プラグのメニスカスの変位である。２つのＳＭＡシートを用いて符号Ｐ２１，Ｐ２２で示すパルス電力を与えたとき、単一のマイクロポンプのものよりはるかに速く液体プラグを移動させることができることを示している。また、単一のＳＭＡシートのマイクロポンプと異なって、チューブの中の液体プラグを一方向に輸送できることが分かる。このことは、液体プラグの位置を調整するために利用することができる。
【００４８】
図９は、図４で示された送液制御装置３０を用いての実験結果を示す図である。装置の中央のＴ字路は液体プラグの測定や、分離や、合併や、ソーティングや、調整や、格納などを行うことができる。ここでは、２つの液体プラグ混合を例として示す。この実験では、液体プラグの位置はマイクロポンプのオンオフにより、目視検査によって調整された。まず最初に、溶液を比較的長い液体コラムとして注入ポートから装置に導入された。液体コラムの1つが操作用流路（Ｈａｎｄｌｉｎｇ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）の入口に動かされた(図８（１））。液体プラグの一部が操作用流路に吸引された(図８（２）)。メイン流路（Ｍａｉｎ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）で残っていた液体が、動かされて、操作用流路による部分が切り離された(図８（３）)。次に、新しい液体プラグとして操作用流路による部分をメイン流路に戻した（図８（４））。別の液体コラムがプラグと同じ方法で吸引され、切り離された(図８（５）〜（７））。最終的に、前の手順で形成されたプラグの1つが操作用流路の入口に動かされて、操作用流路による液体の一部が混合された(図８（８）、（９）)。これにより、２つの液体プラグの混合を行うことができることが分かった。
【００４９】
以上説明したように、本発明によれば、チップ上にも搭載可能なマイクロポンプ、マイクロバルブが容易に実現でき、しかもこれらを多数集積化、複合化することができるため、酵素反応解析、タンパク質やＤＮＡの分析で必要な複雑な溶液操作も容易に行えるようになる。
【００５０】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係るマイクロポンプ、マイクロバルブおよび送液制御装置は、対象物を局所に注入する等の医学、生物学の基礎研究、ＤＮＡ、タンパク質等の微小分析システムや、細胞培養・分離検出等の実験室を微小化して集積化させた実験室チップや、センサ、マイクロリアクター等に利用される。
【符号の説明】
【００５２】
１０ マイクロポンプ
１１ 貫通孔
１２ 形状記憶合金シート
１３ チューブ状の弾性部材
１４ 電極
１５ 電極
１６ 制御部
１７ 導線
１８ 導線
１９ ブリッジ部
３０ 送液制御装置
３１ 流路
３２ 流路
３３ Ｔ字型連結部
３４ 端部
３５ 端部
５０ 液体プラグ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロポンプ、マイクロバルブおよび送液制御装置に関し、特に、化学、生物学、医学、ナノテクノロジー等の研究分野で用いられる、微量な流体を制御して送液するマイクロポンプ、マイクロバルブおよび送液制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、チップ上で化学反応を進行させ分析を行う微小化学分析システム（μTAS）、あるいは、ガラス等の小さな基板に微細な溝やくぼみを刻んだチップに、化学反応、細胞培養、分離検出等のラボプロセス（実験室での工程）を集積化させたラボ・オン・チップ（実験室チップ、Lab on a Chip）の研究が、活発に行われている。これは、上述のように、従来の分析システムあるいは化学実験室を、手のひらに乗る程度まで微小化しようとするものである。
【０００３】
分析システム等を微小化することにより、（１）サンプル、試薬量の微量化、（２）応答の高速化、（３）ハイスル−プット化、などの効果が実現される。これら微小化された分析システム（以下、微小システムという）の用途はさまざまであるが、このような微小システム上では、微量な流体を制御して送液することが必要となる。特に、すべての要素が集積化された送液装置の実現が期待される。
【０００４】
微量な流体を制御して送液する装置として、機械的なマイクロポンプ、マイクロバルブの研究が進められており、ピエゾ素子を利用したもの、静電応力による変位を利用したもの、形状記憶合金を利用したもの、電極表面の濡れ性の変化（エレクトロウェッテイング）を利用したもの、空気圧制御によるもの等、多数開発されている。これらについては、幾つかのレビューで紹介されている（非特許文献１）。
【０００５】
上記のマイクロポンプのうち、形状記憶合金をマイクロポンプの駆動用のアクチュエータとして用いられるものは、形状記憶合金がシンプルな構造で出力エネルギー密度が高いため、いくつか提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００６】
特許文献１では、形状記憶合金コイルばねと弾性を有するパイプと一方向弁とを組み合わせ、構造が簡単で小型化が容易な微量液体を搬送するマイクロポンプを開示している。そのマイクロポンプは、シリコンゴム等の弾性体からなるパイプの壁中に、パイプと同心状で一体に形状記憶合金コイルばねを埋め込み、パイプの吸入口と排出口に吸入側一方向弁と排出側一方向弁を取り付け、形状記憶合金コイルばねの両端の通電加熱用電極に電流を通電、停止することにより、形状記憶合金コイルばねを埋め込んだパイプを収縮、伸長するものである。
【０００７】
特許文献２では、開閉弁を不要とし、脈流を抑えて微量流体を供給することができる、メンテナンスの良いマイクロポンプを開示している。そのマイクロポンプは、流体の流れる流路を構成するパイプと、パイプを保持し、流体の入口を構成する第１筐体および流体の出口を構成する第２筐体と、パイプの内部に長手方向に向かって所定の間隔を介して配置されると共に、形状記憶合金などで構成された複数個のリング状からなるアクチュエータと、アクチュエータにそれぞれ独立して接続されると共に、アクチュエータを個別に動作させることができるよう、熱電素子などの駆動源と駆動源を個別に制御するためのコントローラとより構成されている。
【０００８】
特許文献３では、簡単な構成で比較的大きな圧送圧力により流体を微量で送ることができ、しかも冷却性が高く応答速度に優れた形状記憶合金等の形状記憶性を有するコイルを駆動源とした小型ポンプが開示されている。その小型ポンプは、形状記憶性を有するコイルと、絶縁性を有し且つ高硬度の耐熱部材、チューブ状の弾性部材、チューブ状の弾性部材の両端に設けられた吸入部と排出部、吸入部と排出部にそれぞれ設けられた吸入弁と排出弁及びコイルへの通電を制御する制御回路からなるとともに、耐熱部材は弾性部材とコイルとの間にあり、弾性部材を取り囲むように配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−１５９２５０号公報
【特許文献２】特開２００３−１８４７５５号公報
【特許文献３】特開２００７−１５４７９１号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】D.J Laser et al. J.Micromech. Microeng. 14(2004)R35.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来、マイクロフルーイディックデバイスにおける送液制御では、マイクロシリンジポンプ等の外部装置を接続する必要があった。また、ポンプ、バルブをチップ上に集積化、複合化する試みもあるが、多数のポンプ、バルブを集積化、複合化するのは容易ではない。また、市販されているポンプ、バルブに匹敵する性能を実現するのも容易ではない。そして、特許文献１〜３に開示される従来のマイクロポンプにおいては、作製に手間がかかるという問題があった。例えば、特許文献１に開示されるマイクロポンプでは、シリコンゴム等の弾性体からなるパイプの壁中に、パイプと同心状で一体に形状記憶合金コイルばねを埋め込む必要がある。また、特許文献２に開示されるマイクロポンプでは、形状記憶合金などで構成された複数個のリング状からなるアクチュエータを用いる必要がある。さらに、特許文献３に開示されるマイクロポンプでは、形状記憶合金をコイル状にする必要がある。
【００１２】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、簡単な構成で作製に手間がかからないマイクロポンプ、マイクロバルブおよび送液制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るマイクロポンプ、マイクロバルブおよび送液制御装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
第１のマイクロポンプ（請求項１に対応）は、貫通孔を少なくとも１つ形成した形状記憶合金シートと、チューブ状の弾性部材と、形状記憶合金シートに電流を流すための電極と、電極に電圧を印加して電流を制御する制御部と、を備え、弾性部材は、形状記憶合金シートの貫通孔に挿入されて、固定されていることを特徴とする。
第２のマイクロポンプ（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、形状記憶合金シートの両端は、接続端子によって導線へと接続され、導線は電源とスイッチ等からなる制御部に接続されており、制御部は、形状記憶合金シートへの電気的導通を制御し、形状記憶合金シートに電流を流したとき加熱し、電流を流さないとき自然冷却して相変態を起こすことにより弾性部材を変形させ送液動作を行うことを特徴とする。
第３のマイクロポンプ（請求項３に対応）は、第１または第２のマイクロポンプを複数個配列し、順次動作させることにより、溶液を連続的に送液することを特徴とする。
第１のマイクロバルブ（請求項４に対応）は、貫通孔を少なくとも１つ形成した形状記憶合金シートと、チューブ状の弾性部材と、形状記憶合金シートに電流を流すための電極と、電極に電圧を印加して電流を制御する制御部と、を備え、弾性部材は、形状記憶合金シートの貫通孔に挿入されて、固定されていることを特徴とする。
第２のマイクロバルブ（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは、形状記憶合金シートの両端は、接続端子によって導線へと接続され、導線は電源とスイッチ等からなる制御部に接続されており、制御部は、形状記憶合金シートへの電気的導通を制御し、形状記憶合金シートに電流を流したとき加熱し、電流を流さないとき自然冷却して相変態を起こすことにより弾性部材を変形させ開閉動作を行うことを特徴とする。
第１の送液制御装置（請求項６に対応）は、２つの流路を有し、一方の流路は、他方の流路にＴ字型に連結し、一方の前記流路の端部には、上記第１〜第３のいずれかに記載のマイクロポンプが接続され、他方の流路の端部にも、上記第１〜第３３のいずれかに記載のマイクロポンプが接続されており、一方の流路を流れ、Ｔ字型連結部に液体プラグが位置したときに２つのマイクロポンプの動作を制御することにより、液体プラグの分割、混合、計量のいずれかを行うことを特徴とする。
第２の送液制御装置（請求項７に対応）は、上記の構成において、好ましくは、他方の流路は、菱形の区画が連続的に連なった構造を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡単な構成で作製に手間がかからないマイクロポンプ、マイクロバルブおよび送液制御装置を提供することができる。そして、本発明を用いれば、単純かつ強力で、確実に動作するマイクロポンプが実現できる。しかも、構造が単純であるため、他の機能、例えばセンシング機能との集積化、複合化も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の本実施形態に係るマイクロポンプの外観図である。
【図２】本発明の本実施形態に係るマイクロポンプの外観図である。
【図３】本発明の本実施形態に係るマイクロポンプの作用について説明する図である。
【図４】本発明の本実施形態に係るマイクロポンプを用いた送液制御装置の模式図である。
【図５】形状記憶合金（ＳＭＡ）シートとチューブの組み合わせによるいくつかの異なった動作モードを示す図である。
【図６】形状記憶合金（ＳＭＡ）の特性を調べるために行った示差走査熱量測定（ＤＳＣ）の測定結果を示すグラフである。
【図７】それぞれのＳＭＡシートにパルス電力を印加したときの液体プラグのメニスカスの変位を示すグラフである。
【図８】２つのＳＭＡシートにパルス電力を印加したときの液体プラグのメニスカスの変位を示すグラフである。
【図９】図４で示された送液制御装置を用いての実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１と図２は、本発明の本実施形態に係るマイクロポンプの外観図である。図１は、後述の制御部１６のスイッチ１６ａをオフにした状態を示す図であり、図２は、後述の制御部１６のスイッチ１６ａをオンにした状態を示す図である。マイクロポンプ１０は、貫通孔１１を少なくとも１つ形成した形状記憶合金シート１２と、シリコーンチューブ等のチューブ状の弾性部材１３と、形状記憶合金シート１２に電流を流すための電極１４，１５と、電極１４，１５に電圧を印加して電流を制御する制御部１６を備えている。
【００１８】
形状記憶合金シート１２の両端は、接続端子（電極１４，１５）によって導線１７，１８へと接続され、導線は電源とスイッチ等からなる制御部１６に接続されている。その制御部１６は、形状記憶合金シート１２への電気的導通を制御し、形状記憶合金シート１２に電流を流したとき加熱し、電流を流さないとき自然冷却して相変態を起こすことにより弾性部材１３を変形させ送液動作を行う。なお、この制御部１６にはスイッチ１６ａのオンオフを自動的に制御できるリレー等を設けることができる。
【００１９】
シリコーンチューブ等のチューブ状の弾性部材１３は、形状記憶合金シート１２の貫通孔に挿入されて、固定されている。
【００２０】
次に、上記構成をした本実施形態に係るマイクロポンプの動作原理について図３を参照して説明する。まず、制御部１６のスイッチ１６ａをオンすると、形状記憶合金シート１２に電気が導通するようになり、これ自体が抵抗体でもあることから加熱される。すると、形状記憶合金シート１２は、マルテンサイト相からオーステナイト相への相変態温度まで上昇すると平板状になり、形状記憶された状態に戻ることになる。このとき、形状記憶合金シート１２により、貫通孔を形成しているブリッジ部１９によってチューブ状の弾性部材１３は押し潰される（図３（ｂ））。
【００２１】
一方、スイッチ１６ａをオフにすると、形状記憶合金シート１２への電気的導通は停止され、形状記憶合金シート１２のチューブ状の弾性部材１３に接している部分以外は大気中に曝されている状態なので急速に冷却される。すると、形状記憶合金シート１２は徐々にオーステナイト相から低い抗張力からなるマルテンサイト相へと相変態して伸長していくようになり、ブリッジ部１９によりチューブ状の弾性部材１３を内側へ圧縮する力は弱くなっていく。これにより、圧縮されていたチューブ状の弾性部材１３は蓄積していた弾性エネルギーを発散させるように外側へ徐々に膨張していき、元の形状へ戻っていく。
【００２２】
ところで、チューブ状の弾性部材１３が圧縮したときには、この中の容積は小さくなるとともに圧力は高くなるため、チューブ状の弾性部材１３内に入っていた気体や液体は、排出部へ排出される。一方、チューブ状の弾性部材１３が膨張したときには、この中の容積は大きくなるとともに圧力は低くなるため、吸入部にあった気体や液体は、チューブ状の弾性部材１３内へ吸入される。
【００２３】
このように、形状記憶合金シート１２に電流を流し、加熱する。形状記憶合金シート１２に平坦な形状を記憶させておけば、これによりシリコーンチューブ等のチューブ状の弾性部材１３は押し潰される。シリコーンチューブ等のチューブ状の弾性部材１３の一端を閉じ、中に液体または空気を満たすと、この変化により液体を移動させたり、加圧することができる。
【００２４】
以上のことから、制御部１６のスイッチ１６ａのオンオフ動作を連続的に繰り返すことによりこれに呼応したポンプ駆動源としての形状記憶合金シート１２の連続的な伸縮動作を得ることができ、これに伴って結果的にチューブ状の弾性部材１３の弾性により伸縮運動へとつながっていく。これにより、ある一定の流量の流体を一定の圧力で移動させるポンプとしての機能を果たすことができるようになる。なお、スイッチ１６ａのオンオフに至る時間間隔を制御することにより、マイクロポンプ１０の流量を調整することができる
【００２５】
なお、上記の実施形態では、１つのマイクロポンプ１０を説明したが、マイクロポンプを複数個配列し、順次動作させることにより、溶液を連続的に送液するようにしても良い。そのときには、複数のマイクロポンプそれぞれに、電流を流すことを制御する制御部を統合的に制御する制御装置を設けることにより、複数のマイクロポンプを連動して制御することができる。
【００２６】
次に、図４を参照してマイクロポンプを応用した送液制御装置について説明する。
【００２７】
近年、微小化学分析システム（μＴＡＳ）中での溶液処理において、液体プラグを用いる方法が注目を集めている。液体プラグは微小流路中に存在する液体の断片であり、プラグ間は空気や油など疎水性の物質で隔てられている。従来の連続流体を用いる方式と比べ、試薬量の大幅な低減、多種類の溶液の効率的操作、混合の迅速化等の利点がある。
【００２８】
図４で示すマイクロポンプ１０を応用した送液制御装置３０は、２つの流路３１，３２を有し、一方の流路３１は、他方の流路３２にＴ字型に連結した連結部３３を有している。一方の流路３１の端部３４には、複数のマイクロポンプ１０からなるポンプ部Ａが接続されている。また、他方の流路３２の端部３５にも、複数のマイクロポンプ１０からなるポンプ部Ｂが接続されている。さらに、一方の流路３１には、液体の注入や抽出を行う開口部３６が設けられている。なお、図４では、マイクロポンプ１０を複数設けているが、端部３４と端部３５にそれぞれ１つずつのマイクロポンプ１０を設けるようにしても良い。そのとき、流路を形成しているチップ４０上にシリコーンゴムなどの弾性体を挿入してマイクロポンプの形状記憶合金シートを固定することにより、チップ上に搭載することができる。このときのシリコーンゴムなどの弾性体は、形状記憶合金シートのオンオフで変形したときにもチップとの固定を保つための緩衝部としての役割を持つ。一方の流路３１は、例えば、幅６００μｍ、高さ４０〜５２０μｍである。
【００２９】
また、他方の流路３２は、菱形の区画が連続的に連なった構造を有している。予めこの一つ一つの菱形の容積を定まった一定のものとしておくことにより、液体が何個の菱形の区画に溜まったかを計数することにより高精度の微量計量を可能とした。
【００３０】
この送液制御装置３０では、一方の流路３１を流れ、Ｔ字型連結部３３に液体プラグ５０が位置したときにポンプ部Ａ，Ｂのマイクロポンプ１０の動作を制御することにより、液体プラグの連結、分割、混合、計量のいずれかを行うことができる。
【００３１】
次に、この送液制御装置３０を用いての液体プラグの計量、分割、混合を説明する。液体プラグの計量は、まず、開口部３６から液体プラグ５０を注入する。次に、マイクロポンプを動作させ、液体プラグ５０をＴ字型連結部３３まで引き込む。液体プラグ５０がＴ字型連結部３３に到達したら、ポンプ部Ｂのマイクロポンプ１０を動作させ、他方の流路３２に液体プラグ５０を引き込む。液体プラグ５０が何個の菱形の区画に溜まったかを計数する。溜まった個数と菱形区画の容積を掛けることにより液体プラグの計量をすることができる。
【００３２】
液体プラグの分割は、まず、一方の流路３１に導入された液体プラグ５０をポンプ部Ａのマイクロポンプ１０によってＴ字型連結部３３まで引き寄せ、液体プラグ５０がＴ字型連結部３３に位置するときに、ポンプ部Ｂのマイクロポンプ１０を動作することにより液体プラグ５０の一部分をこの他方の流路３２に引き込み、その状態で一方の流路３１に残る液体をポンプ部Ａのマイクロポンプ１０を動作することにより移動させることにより行う。
【００３３】
また、Ｔ字型連結部３３に位置する２つの液体プラグ５０，５０間の空気をポンプ部Ｂのマイクロポンプ１０を動作することによって引き抜くことによって混合も可能となる。
【００３４】
なお、上記実施形態では、２つの流路３１，３２で説明したが、２つ以上の流路を設け、マイクロポンプ１０もポンプ部Ａ，Ｂの２カ所のみではなく、より多数の位置にマイクロポンプを設け、多数集積化、複合化をするようにしても良い。
【００３５】
また、マイクロポンプ１０は、流路の途中に設けることにより、バルブ（マイクロバルブ）としても用いることができる。バルブとして用いたときの動作原理について図３を参照して説明する。まず、制御部１６のスイッチ１６ａをオンすると、形状記憶合金シート１２に電気が導通するようになり、これ自体が抵抗体でもあることから加熱される。すると、形状記憶合金シート１２は、マルテンサイト相からオーステナイト相への相変態温度まで上昇すると平板状になり、形状記憶された状態に戻ることになる。このとき、形状記憶合金シート１２により、貫通孔を形成しているブリッジ部１９によってチューブ状の弾性部材１３は押し潰される（図３（ｂ））。
【００３６】
一方、スイッチ１６ａをオフにすると、形状記憶合金シート１２への電気的導通は停止され、形状記憶合金シート１２のチューブ状の弾性部材１３に接している部分以外は大気中に曝されている状態なので急速に冷却される。すると、形状記憶合金シート１２は徐々にオーステナイト相から低い抗張力からなるマルテンサイト相へと相変態して伸長していくようになり、ブリッジ部１９によりチューブ状の弾性部材１３を内側へ圧縮する力は弱くなっていく。これにより、圧縮されていたチューブ状の弾性部材１３は蓄積していた弾性エネルギーを発散させるように外側へ徐々に膨張していき、元の形状へ戻っていく。
【００３７】
ところで、チューブ状の弾性部材１３が圧縮したときには、チューブ状の弾性部材１３によって形成されていた流路が閉じられ、チューブ状の弾性部材１３内を流れていた気体や液体は、流れなくなる。一方、チューブ状の弾性部材１３が膨張したときには、チューブ状の弾性部材１３によって形成されていた流路が開かれ、チューブ状の弾性部材１３内を気体や液体が流れるようになる。
【００３８】
このように、形状記憶合金シート１２に電流を流したり、電流を流さないようにすることによって流路を閉じたり開いたりすることができるバルブ（マイクロバルブ）として用いることができる。
【００３９】
図５は、形状記憶合金（ＳＭＡ）シートとチューブの組み合わせによるいくつかの異なった動作モードを示す図である。図５Ａで示される配置で、単一のＳＭＡシート６０が用いられ、チューブ６１の片端がクリップ６２により閉じられる。チューブ６１が潰されているとき、チューブ６１の中の溶液は前方（矢印６３の方向）に移動する(図５Ａ（２））。他方では、潰れているチューブ６１が原形に回復されるとき溶液は後ろ（矢印６４の方向）へ移動する(図５Ａ（３)）。単一のＳＭＡシートによってもたらされる変位は、それほど大きくないが、複数のＳＭＡシートを使用することによって溶液がもたらされる変位を大きくすることができる。
【００４０】
図５Ｂは、２つのＳＭＡシートを使用する構成を示す図である。ここでは、２つのＳＭＡシートＰ１，Ｐ２だけを使用した例を示すが、２つ以上のＳＭＡシートを用いた構成でも良い。ＳＭＡシートＰ１は、チューブ６７を完全に閉じるのにバルブとして使用される。ＳＭＡシートＰ２は、マイクロポンプ１０のようにプッシュプル運動を引き起こすために使用される。
【００４１】
まず、溶液を前方へ動かせるために、ＳＭＡシートＰ１が完全に閉じられる（図５Ｂ(２))。電流がＳＭＡシートＰ２に流されると、ＳＭＡシートＰ２は加熱され、形状が変化しチューブ６７を潰し、溶液が矢印６８の方向に移動する(図５Ｂ（３）)。その後、両方のＳＭＡシートＰ１，Ｐ２に流す電流をオフし、冷却され、チューブ６７による流路が開かれる（図５Ｂ（４））。上記手順を繰り返すことによって、溶液を同じ方向により遠くに、そして、より遠くに動かすことができる。
【００４２】
溶液を逆方向に動かすためには、ＳＭＡシートＰ２が最初に、チューブ６７を潰すために加熱される(図５Ｂ（６）)。次に、ＳＭＡシートＰ１が閉じられる(図５Ｂ（７）)。次に、ＳＭＡシートＰ２の電流をオフし、チューブ６７をあけることにより溶液が矢印６９の方向に移動する(図５Ｂ（８）)。その後、ＳＭＡシートＰ１に流れる電流をオフし、チューブ６７による流路を開く(図５Ｂ（９）)。上記手順を繰り返すことによって、溶液を逆の同じ方向により遠くに、そして、より遠くに動かすことができる。
【００４３】
次に、本実施形態に係るマイクロポンプに関する実験結果を示す。
【００４４】
図６は、形状記憶合金（ＳＭＡ）の特性を調べるために行った示差走査熱量測定（ＤＳＣ）の測定結果を示すグラフである。横軸は、温度を示し、縦軸は、熱流を示す。曲線Ｃ１１は、温度を増加するときのＤＳＣ曲線であり、曲線Ｃ１２は、温度を減少させるときのＤＳＣ曲線である。形状記憶合金は、温度の増加で、主にオーステナイトから成る変化が、５０℃（Ａｓ）で始まり、５５℃(Ａｆ)で終わることが分かる。また、形状記憶合金は、マルテンサイト変態が、温度の減少とともに、５０℃(Ｍｓ)で始まり、４５℃(Ｍｆ)で終わることが分かる。
【００４５】
次に、本実施形態に係るマイクロポンプの性能を示す。マイクロポンプ１０は、溶液の変位が小さく制限される。また、電流をオフした後の冷却ステップで完全に冷却するためには数１０秒かかる。この問題を解決するために、溶液の移動運動を引き起こすために複数のＳＭＡシートを使用する。このことを確かめるために、２つのＳＭＡシートを１．３ｍｍの離して使用した。
【００４６】
図７は、それぞれのＳＭＡシートにパルス電力を印加したときの液体プラグのメニスカスの変位を示すグラフである。横軸は、時間を表し、縦軸は、液体プラグのメニスカスの変位を示す。バーＢは、５．０ｍｍの変位の長さを示している。曲線Ｃ２１は、符号Ｐ１１で示す１．６Ｗの電力をＳＭＡシートに５秒間印加して５秒間オフにするというサイクルを繰り返し行ったときの液体プラグのメニスカスの変位を示す。曲線Ｃ２２は、符号Ｐ１２で示す３．２Ｗの電力をＳＭＡシートに２．５秒間印加して７．５秒間オフにするというサイクルを繰り返し行ったときの液体プラグのメニスカスの変位を示す。曲線Ｃ２３は、符号Ｐ１３で示す８．０Ｗの電力をＳＭＡシートに１秒間印加して９秒間オフにするというサイクルを繰り返し行ったときの液体プラグのメニスカスの変位を示す。符号Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３で示すサイクルの平均電力は、同じである。符号Ｐ１１で示すサイクルの電力を繰り返し印加したとき、液体プラグのメニスカスの変位は、飽和し、数サイクル後に変位の変化がほとんど観測されなくなった。また、符号Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３のサイクルの電力の繰り返しの印加による液体プラグのメニスカスの変位の変化は、異なっていることが分かり、符号Ｐ１３で示すより短いパルスでは、符号Ｐ１１で示すパルスの印加に比べて液体プラグの変位の変化の飽和がし難くなっていることが分かる。
【００４７】
図８は、２つのＳＭＡシートにパルス電力を印加したときの液体プラグのメニスカスの変位を示すグラフである。横軸は、時間を表し、縦軸は、液体プラグのメニスカスの変位を示す。バーＤは、１０ｍｍの変位の長さを示している。曲線Ｃ３１は、ＳＭＡシートＰ１、Ｐ２にそれぞれ符号Ｐ２１、Ｐ２２で示すパルス電力を印加したときの液体プラグのメニスカスの変位を示す。図８中の符号（１）〜（９）は、図５Ｂ（１）〜（９）で示したＳＭＡシートＰ１、Ｐ２の状態のときに対応する液体プラグのメニスカスの変位である。２つのＳＭＡシートを用いて符号Ｐ２１，Ｐ２２で示すパルス電力を与えたとき、単一のマイクロポンプのものよりはるかに速く液体プラグを移動させることができることを示している。また、単一のＳＭＡシートのマイクロポンプと異なって、チューブの中の液体プラグを一方向に輸送できることが分かる。このことは、液体プラグの位置を調整するために利用することができる。
【００４８】
図９は、図４で示された送液制御装置３０を用いての実験結果を示す図である。装置の中央のＴ字路は液体プラグの測定や、分離や、合併や、ソーティングや、調整や、格納などを行うことができる。ここでは、２つの液体プラグ混合を例として示す。この実験では、液体プラグの位置はマイクロポンプのオンオフにより、目視検査によって調整された。まず最初に、溶液を比較的長い液体コラムとして注入ポートから装置に導入された。液体コラムの1つが操作用流路（Ｈａｎｄｌｉｎｇ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）の入口に動かされた(図８（１））。液体プラグの一部が操作用流路に吸引された(図８（２）)。メイン流路（Ｍａｉｎ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ）で残っていた液体が、動かされて、操作用流路による部分が切り離された(図８（３）)。次に、新しい液体プラグとして操作用流路による部分をメイン流路に戻した（図８（４））。別の液体コラムがプラグと同じ方法で吸引され、切り離された(図８（５）〜（７））。最終的に、前の手順で形成されたプラグの1つが操作用流路の入口に動かされて、操作用流路による液体の一部が混合された(図８（８）、（９）)。これにより、２つの液体プラグの混合を行うことができることが分かった。
【００４９】
以上説明したように、本発明によれば、チップ上にも搭載可能なマイクロポンプ、マイクロバルブが容易に実現でき、しかもこれらを多数集積化、複合化することができるため、酵素反応解析、タンパク質やＤＮＡの分析で必要な複雑な溶液操作も容易に行えるようになる。
【００５０】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係るマイクロポンプ、マイクロバルブおよび送液制御装置は、対象物を局所に注入する等の医学、生物学の基礎研究、ＤＮＡ、タンパク質等の微小分析システムや、細胞培養・分離検出等の実験室を微小化して集積化させた実験室チップや、センサ、マイクロリアクター等に利用される。
【符号の説明】
【００５２】
１０ マイクロポンプ
１１ 貫通孔
１２ 形状記憶合金シート
１３ チューブ状の弾性部材
１４ 電極
１５ 電極
１６ 制御部
１７ 導線
１８ 導線
１９ ブリッジ部
３０ 送液制御装置
３１ 流路
３２ 流路
３３ Ｔ字型連結部
３４ 端部
３５ 端部
５０ 液体プラグ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔を少なくとも１つ形成した形状記憶合金シートと、
チューブ状の弾性部材と、
前記形状記憶合金シートに電流を流すための電極と、
前記電極に電圧を印加して電流を制御する制御部と、
を備え、
前記弾性部材は、前記形状記憶合金シートの前記貫通孔に挿入されて、固定されていることを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記形状記憶合金シートの両端は、接続端子によって導線へと接続され、導線は電源とスイッチ等からなる制御部に接続されており、前記制御部は、前記形状記憶合金シートへの電気的導通を制御し、前記形状記憶合金シートに電流を流したとき加熱し、電流を流さないとき自然冷却して相変態を起こすことにより前記弾性部材を変形させ送液動作を行うことを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
請求項１または２記載のマイクロポンプを複数個配列し、順次動作させることにより、溶液を連続的に送液することを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項４】
貫通孔を少なくとも１つ形成した形状記憶合金シートと、
チューブ状の弾性部材と、
前記形状記憶合金シートに電流を流すための電極と、
前記電極に電圧を印加して電流を制御する制御部と、
を備え、
前記弾性部材は、前記形状記憶合金シートの前記貫通孔に挿入されて、固定されていることを特徴とするマイクロバルブ。
【請求項５】
前記形状記憶合金シートの両端は、接続端子によって導線へと接続され、導線は電源とスイッチ等からなる制御部に接続されており、前記制御部は、前記形状記憶合金シートへの電気的導通を制御し、前記形状記憶合金シートに電流を流したとき加熱し、電流を流さないとき自然冷却して相変態を起こすことにより前記弾性部材を変形させ開閉動作を行うことを特徴とする請求項４記載のマイクロバルブ。
【請求項６】
２つの流路を有し、一方の流路は、他方の流路にＴ字型に連結し、
一方の前記流路の端部には、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロポンプが接続され、
他方の前記流路の端部にも、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロポンプが接続されており、
前記一方の流路を流れ、Ｔ字型連結部に液体プラグが位置したときに前記２つの小型ポンプの動作を制御することにより、前記液体プラグの分割、混合、計量のいずれかを行うことを特徴とする送液制御装置。
【請求項７】
前記他方の流路は、菱形の区画が連続的に連なった構造を有していることを特徴とする請求項６記載の送液制御装置。
【請求項１】
貫通孔を少なくとも１つ形成した形状記憶合金シートと、
チューブ状の弾性部材と、
前記形状記憶合金シートに電流を流すための電極と、
前記電極に電圧を印加して電流を制御する制御部と、
を備え、
前記弾性部材は、前記形状記憶合金シートの前記貫通孔に挿入されて、固定されていることを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記形状記憶合金シートの両端は、接続端子によって導線へと接続され、導線は電源とスイッチ等からなる制御部に接続されており、前記制御部は、前記形状記憶合金シートへの電気的導通を制御し、前記形状記憶合金シートに電流を流したとき加熱し、電流を流さないとき自然冷却して相変態を起こすことにより前記弾性部材を変形させ送液動作を行うことを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
請求項１または２記載のマイクロポンプを複数個配列し、順次動作させることにより、溶液を連続的に送液することを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項４】
貫通孔を少なくとも１つ形成した形状記憶合金シートと、
チューブ状の弾性部材と、
前記形状記憶合金シートに電流を流すための電極と、
前記電極に電圧を印加して電流を制御する制御部と、
を備え、
前記弾性部材は、前記形状記憶合金シートの前記貫通孔に挿入されて、固定されていることを特徴とするマイクロバルブ。
【請求項５】
前記形状記憶合金シートの両端は、接続端子によって導線へと接続され、導線は電源とスイッチ等からなる制御部に接続されており、前記制御部は、前記形状記憶合金シートへの電気的導通を制御し、前記形状記憶合金シートに電流を流したとき加熱し、電流を流さないとき自然冷却して相変態を起こすことにより前記弾性部材を変形させ開閉動作を行うことを特徴とする請求項４記載のマイクロバルブ。
【請求項６】
２つの流路を有し、一方の流路は、他方の流路にＴ字型に連結し、
一方の前記流路の端部には、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロポンプが接続され、
他方の前記流路の端部にも、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロポンプが接続されており、
前記一方の流路を流れ、Ｔ字型連結部に液体プラグが位置したときに前記２つの小型ポンプの動作を制御することにより、前記液体プラグの分割、混合、計量のいずれかを行うことを特徴とする送液制御装置。
【請求項７】
前記他方の流路は、菱形の区画が連続的に連なった構造を有していることを特徴とする請求項６記載の送液制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２２６３５８（Ｐ２０１１−２２６３５８Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９６１７１（Ｐ２０１０−９６１７１）
【出願日】平成２２年４月１９日（２０１０．４．１９）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１９日（２０１０．４．１９）
【出願人】（５０４１７１１３４）国立大学法人 筑波大学 (510)
【Ｆターム（参考）】
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