(57)【要約】【課題】感熱応答性ポリマー溶液の体積変化を駆動源として用い、ヒータによって直接感熱応答性ポリマー溶液を加熱することにより、低コストかつ低電力で使用でき、ピコリットルからナノリットル程度の微少体積の駆動が可能であるアクチュエータを提供する。【解決手段】感熱応答性のゾル‐ゲル相変化を示す感熱応答性ポリマー溶液に対して、ヒータによる感熱応答性ポリマーの直接加熱を用いることにより、感熱応答性ポリマー溶液の相変化時に伴う体積変化を駆動源として、ピコリットルからナノリットル程度の微少体積の駆動を高精度かつ高い応答性を有して行うことができるアクチュエータ及びアクチュエータとインジェクタからなるプローブ型装置である。【選択図】 図１
2011256834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、
前記容器に収容された、感熱応答性のゾル‐ゲル相変化を示す感熱応答性ポリマー溶液と、
前記容器内に組み込まれたヒータと、
を備え、
前記ヒータを用いて前記感熱応答性ポリマー溶液のゾル‐ゲル相変化を起こし、そのゾル‐ゲル相変化に伴う前記感熱応答性ポリマー溶液の体積変化を駆動力として流体を駆動することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記ヒータが空気に触れないようシーリングされていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記容器は開口部を有し、
前記開口部に、可動する蓋が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記ヒータが前記感熱応答性ポリマー溶液と直接的に接触することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記感熱応答性ポリマー溶液とは、ある温度を境界としてその温度以上ならばゲル、その温度未満ならばゾルへと可逆性の相変化を示す材料であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のアクチュエータと、
前記アクチュエータに取り付けられたインジェクタと、
を備え、
前記アクチュエータの駆動力により前記インジェクタ内に前記流体を取り込むことを特徴とするプローブ型装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感熱応答性ポリマー溶液がゾル‐ゲル相変化を行う際に伴う体積変化を駆動源として用いるアクチュエータ及びプローブ型装置に関する。このアクチュエータ及びプローブ型装置は感熱応答性ポリマー溶液をヒータにより直接加熱し、その際に生じるゾル‐ゲル相変化に伴う体積変化を駆動源として用いることで、微少量の駆動をすることができる。
【背景技術】
【０００２】
ゲルや熱膨張を用いたアクチュエータは様々なものが提案されている。特許文献１では、温度変化によって作動する感温応答アクチュエータが提案された。この発明では感温応答ゲルの体積変化を用いてピストンを作動させることにより、弁の開閉や電気回路のスイッチとして用いることを特徴とする。この方法では、ヒータを有していないため、外気温に反応して受動的にアクチュエータが作動するものであり、駆動方向の切り替えについての応答性が確保できない。
【０００３】
特許文献２では弾性物質内部に熱膨張物質を散在させた構造体を用いたアクチュエータが提案された。この発明では、電熱線を用いて熱膨張物質を膨張させることにより体積を変化させ、機械部品等の動力源として使用できるようにした熱膨張型アクチュエータを作製していることを特徴とする。
【０００４】
特許文献３では、水素の吸蔵及び放出が可能な材料を含む電極を用い、電圧印加に伴って電極の周りのゲルのpHが変化し、その変化に応じて体積変化が発生するアクチュエータの提案をしており、低電圧での動作が可能であることを特徴とする。
【０００５】
特許文献４では、熱反応性重合体の体積変化を用いたバルブや光学スイッチなどスイッチ構造の提案を特徴とする。
特許文献５では、ハイドロゲルの中に電極を配し、多価カチオンを含有する電解液をその周囲に配することにより、多価カチオンの濃度変化に応じてハイドロゲルの体積変化が起こるアクチュエータを提案している。これにより、低電圧で膨張／収縮の動作を行う高分子アクチュエータを提案していることを特徴とする。
【０００６】
これらの特許文献について、寸法が明記されているものについては、その寸法は小さいものでも数十mm四方の体積を有しており、駆動量も大きい。そのため、例えばナノリットルオーダーの溶液を駆動するなど、より微小量の駆動を精度よくかつ高応答性を有して行うためには、さらなるアクチュエータの小型化が必要である。
【０００７】
非特許文献１では、感熱応答性ポリマー溶液のゾル‐ゲル相変化時に伴う体積変化を駆動源として用いることで、マイクロピペットによる微少量溶液の噴出及び吸引を行う方法を提案したものである。この方法では、ピペットよりも大きなサイズのヒータを用いており、さらに、マイクロピペットの外側に取り付けられたヒータにより、感熱応答性ポリマー溶液をマイクロピペットを介して加熱する構造である。そのため、感熱応答性ポリマー溶液の体積変化以外のガラス等の体積変化の影響が大きく出てしまうと共に、感熱応答性ポリマーの体積変化を発生させる際の応答性が低い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−３３２２１９号公報
【特許文献２】特開平６−２５７５５７号公報
【特許文献３】特開２００５−２６９７７３号公報
【特許文献４】特開２００８−５３２２０５号公報
【特許文献５】特開２００６−３５３０３４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】第２７回日本ロボット学会学術講演会論文集1B2-07 著者：竹内大、中島正博、福田敏男、タイトル：感熱ゲルの体積変化を利用した溶液噴出・吸引用プローブデバイス、発行所：（社）日本ロボット学会、発行年月日：２００９年９月１５日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
例えば、細胞操作・解析におけるマイクロピペットによる溶液噴出・吸引は、細胞の大きさから考え、ピコリットルから数ナノリットルでの微少量の溶液を噴出及び吸引できることが必要である。特に、ナノリットル程度の溶液を精度よく駆動させることが可能であるアクチュエータは、ピエゾ素子を用いたものなど従来のアクチュエータでは駆動量や形状加工の面から困難な場合があり、小型かつ精度よく微少量の溶液を駆動可能であるアクチュエータが必要とされている。その他、バルブやスイッチといった用途においても、小型、低電力で微少体積の駆動が行えるアクチュエータが求められている。そのため、より簡便かつ低コストで作製でき、微少量の体積を駆動できるアクチュエータを提供することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、次なる構成の本発明に想到した。
本発明のアクチュエータは、容器と、前記容器に収容された、感熱応答性のゾル‐ゲル相変化を示す感熱応答性ポリマー溶液と、前記容器内に組み込まれたヒータと、を備え、前記ヒータを用いて前記感熱応答性ポリマー溶液のゾル‐ゲル相変化を起こし、そのゾル‐ゲル相変化に伴う前記感熱応答性ポリマー溶液の体積変化を駆動力として流体を駆動することを特徴とする。
【００１２】
本発明のアクチュエータは、感熱応答性のゾル‐ゲル相変化を示す感熱応答性ポリマー溶液が相変化する際に発生する微小体積変化を駆動源とすることにより、微少量の体積変化を制御できる。
【００１３】
本発明のアクチュエータは、例えば、全体が数ミリメートル四方の空間に収まる小型アクチュエータとすることができる。
また、例えば、感熱応答性ポリマー溶液を小型のヒータを用いて直接的に加熱することにより、感熱応答性ポリマー溶液以外の体積変化の影響を少なくし、低電圧でかつピコリットルからナノリットル程度の体積変化を精度よく実現可能である。
【００１４】
本発明のアクチュエータは、例えば、簡便且つ低コストに組み立てることが可能であり、例えば、ディスポーザブルに使用できる。
前記容器は、例えば、数ミリメートル以下の容器とすることができる。
【００１５】
前記ゾル‐ゲル相変化に伴う前記感熱応答性ポリマー溶液の体積変化は、例えば、ピコリットルからナノリットルの体積変化とすることができる。
また、本発明のアクチュエータは、例えば、前記ヒータが空気に触れないようシーリングされているものとすることができる。
【００１６】
そのことにより、ヒータの酸化燃焼を防ぐ効果がある。
また、本発明のアクチュエータは、例えば、前記容器は開口部を有し、前記開口部に、可動する蓋が設けられているものとすることができる。
【００１７】
そのことにより、容器内部に入れた前記感熱応答性ポリマー溶液の蒸発を防ぎ、かつ感熱応答性ポリマー溶液の体積変化を駆動させたい対象へと伝える効果がある。
また、本発明のアクチュエータは、例えば、前記ヒータが前記感熱応答性ポリマー溶液と直接的に接触するものとすることができる。
【００１８】
そのことにより、前記感熱応答性ポリマー溶液の体積変化の応答性を高め、かつ感熱応答性ポリマー溶液以外の熱膨張による体積変化の影響を抑制する効果がある。
また、前記感熱応答性ポリマー溶液とは、例えば、ある温度を境界としてその温度以上ならばゲル、その温度未満ならばゾルへと可逆性の相変化を示す材料とすることができる。
【００１９】
そのことにより、温度変化による体積変化量をより大きくする効果がある。
本発明のアクチュエータによれば、例えばマイクロピペット（インジェクション）をこのアクチュエータに接続することにより、ヒータの電源操作のみで微少量の溶液を同一のデバイスを用いて噴出及び吸引することができる。また、通常のマイクロピペットを用いて簡便に、かつ低コストでの作製が可能であり、ディスポーザブルに使用が可能である。
【００２０】
また、本発明のアクチュエータを用いることにより、感熱応答性ポリマー溶液以外の体積変化の影響を少なくすると共に、体積変化の応答性が向上する。さらに、ヒータに印加する電流量を制御することにより、溶液の噴出及び吸引量をピコリットルからナノリットルの量で精度よく制御することが可能である。印加電圧も1 V程度と低電圧で溶液を噴出及び吸引させることが可能となる。
【００２１】
さらに、ヒータとマイクロピペットを容易に脱着することが可能であり、同一のヒータを用いて何度もマイクロピペットを交換し、使用することが可能である。
本発明のプローブ型装置は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアクチュエータと、前記アクチュエータに取り付けられたインジェクタと、を備え、前記アクチュエータの駆動力により前記インジェクタ内に前記流体を取り込むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は感熱応答性ポリマー溶液の体積変化を利用した本発明のアクチュエータの構成の例である。（a）本発明のアクチュエータの収縮状態における概略断面図を示す。（b）本発明のアクチュエータの膨張状態における概略断面図を示す。
【図２】図２は感熱応答性ポリマー溶液の体積変化量の評価実験に用いた本発明のアクチュエータの構成である。（a）本発明のアクチュエータの収縮状態における概略断面図を示す。（b）本発明のアクチュエータの膨張状態における概略断面図を示す。
【図３】図３は本発明のアクチュエータとインジェクタからなるプローブ型装置の構成の例である。
【図４】図４は感熱応答性ポリマー溶液の体積変化量の評価実験の構成の例を示す。
【図５】図５は感熱応答性ポリマー溶液の体積変化量の評価実験の実験結果を示す。
【図６】図６はヒータへの印加電流量に対する感熱応答性ポリマー溶液の体積変化量の評価実験の実験結果を示す。
【図７】図７は非特許文献１に記載のプローブ型装置である。
【図８】図８は非特許文献１に記載のプローブ型装置を用いた感熱応答性ポリマー溶液の体積変化量の評価実験の実験結果を示す。
【図９】図９は開口部を有する容器について、ヒータ部と可動する蓋の部分とで内径が異なる容器を用いた場合の本発明のアクチュエータの構成である。（a）本発明のアクチュエータの収縮状態における概略断面図を示す。（b）本発明のアクチュエータの膨張状態における概略断面図を示す。
【図１０】図１０は可動する蓋が薄膜の場合の本発明のアクチュエータの構成である。（a）本発明のアクチュエータの収縮状態における概略断面図を示す。（b）本発明のアクチュエータの膨張状態における概略断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
この発明の感熱応答性ポリマー溶液の体積変化を利用したアクチュエータの構成を図１〜図４に示す。
アクチュエータは、図１〜図４に示すように感熱応答性ポリマー溶液（１）、ヒータ（２）、開口部を有する容器（３）、及び可動する蓋（４）とから構成される。
【００２４】
駆動源となる感熱応答性ポリマー溶液（１）は開口部を有する容器（３）内に注入されており、ヒータ（２）によって加熱される。ヒータ（２）は開口部を有する容器（３）と接続し、容器（３）を介して駆動したい対象とアクチュエータを接続する。
【００２５】
容器の開口部には、感熱応答性ポリマー溶液（１）の蒸発を防ぎ、体積変化を駆動させたい対象へと伝えるために可動する蓋（４）が付いている。
感熱応答性ポリマー溶液（１）を開口部を有する容器（３）内に注入し、可動する蓋（４）を取り付けることにより、ヒータ（２）からのジュール熱によって感熱応答性ポリマー溶液（１）の微少体積変化を発生させ、この体積変化を駆動源として用いる。
【００２６】
感熱応答性ポリマー溶液（１）は10 wt% Ｎ‐イソプロピルアクリルアミド（PNIPAAm）であり、ヒータ（２）はタングステンフィラメント、可動する蓋（４）には流動パラフィンを用いた。また、開口部を有する容器は、図２に示すように内径１mmのシリコンチューブ（５）及び片端を塞ぐシーリング材（６）としてのポリジメチルシロキサン（PDMS）により構成した。ここで、10 wt% PNIPAAmは32℃以上でゲル化、32℃以下でゾル化する可逆性のゾル‐ゲル相変化を示す。
【００２７】
なお、本発明のアクチュエータは、図３において１、２、４、５及び６により構成される。また、アクチュエータとインジェクタによるプローブ型装置は図３全体から構成される。
【００２８】
図３に示すように、マイクロピペット（７）はアクチュエータの開口部を有する容器（３）内に挿入し、接着材（９）で接合部を固定することによりアクチュエータと接続する。次に、ヒータ（２）を用いて感熱応答性ポリマー溶液（１）を加熱することにより、感熱応答性ポリマー溶液（１）の体積変化が発生し、図１、２に示すように可動する蓋（４）が駆動する。これにより、図３に示すようにマイクロピペット（７）内部の溶液（８）が可動する蓋（４）により駆動され、ピペット内の溶液（８）の噴出及び吸引を行う。
【００２９】
図１に示すアクチュエータとマイクロピペットを組み合わせることにより、アクチュエータとインジェクタからなるプローブ型装置（１０）を作製した。まず、先端部の内径約1 μmのマイクロピペット（７）に対し、溶液（純水）（８）約9 μl、流動パラフィン（４）約0.8 μl、感熱応答性ポリマー溶液（１）PNIPAAm約1.5 μlを封入した。このマイクロピペットをアクチュエータの容器内に挿入した後、接合部を接着剤（９）により固定することにより、図３に示すアクチュエータとインジェクタからなるプローブ型装置を作製した。ここで、流動パラフィンによる可動する蓋（４）は感熱応答性ポリマー溶液（１）の体積変化に伴ってマイクロピペット（７）内を動く。これにより感熱応答性ポリマー溶液（１）の体積変化が溶液（８）へと伝達され、溶液（８）が噴出及び吸引される。
【００３０】
上記のように作製したプローブ型装置を用いた溶液噴出・吸引実験の方法について説明をする。まず、プローブ型装置（１０）を液槽に挿入し、感熱応答性ポリマー溶液（１）をゲル化させるため、ヒータ（２）に直流電流を流した。印加電流量は0.18 A、0.25 A、0.36 Aの3種類について行った。
【００３１】
上記のプローブ型装置（１０）について、ヒータ（２）に直流電流を20秒間流し感熱応答性ポリマー溶液（１）PNIPAAmをゲル化させ、その後印加電圧を切り20秒間自然冷却を行い、ゲル化している感熱応答性ポリマー溶液（１）をゾル化させる過程を実施した。
【００３２】
上記の過程において、先端部分の溶液（８）と流動パラフィン（４）の境界面を顕微鏡下で観察し、図４に示すように、その境界面の変位量（１１）を計測した。その結果を図５に示す。
【００３３】
ここで、図５の横軸は時間、縦軸は感熱応答性ポリマー溶液（１）の体積変化量を示す。この体積変化量は、測定した境界面の変位量（１１）とマイクロピペットの内径0.6 mmより算出した値である。
【００３４】
印加電流量が大きくなるほど感熱応答性ポリマー溶液（１）の体積変化量は大きくなる。また、ヒータ（２）による加熱と自然冷却を繰り返すことにより、体積変化量が安定する。これは、加熱と自然冷却を繰り返すことにより加熱と放熱の平衡状態が実現されるためである。
【００３５】
印加電流量に対する体積変化量を評価するため、図５において感熱応答性ポリマー溶液（１）の体積変化量が安定している4回目から10回目までの7回の加熱について，その体積変化量の平均を各印加電流について求めた。その結果を図６に示す。
【００３６】
印加電流に対する感熱応答性ポリマー溶液（１）の体積変化量について、得られたデータに二次の近似曲線を引くと、データがその曲線上にあることがわかる。これより、感熱応答性ポリマー溶液（１）の体積変化量はヒータ（２）への印加電流量の二乗、即ちヒータ（２）より発生するジュール熱に比例する。
【００３７】
上記の結果より、ヒータ（２）への印加電流量を制御することにより、本発明のアクチュエータを用いて溶液の吸引・噴出量をナノリットルオーダーで、かつ10秒程度の時間で噴出及び吸引を行うことができ、高い応答性を有して噴出及び吸引の制御が可能であることが示された。
【００３８】
図７に非特許文献１に記載のプローブ型装置を示す。このプローブ型装置では、マイクロピペット（７）の外壁にヒータ（２）を接触させることにより、マイクロピペット内部の感熱応答性ポリマー溶液（１）を加熱する。
【００３９】
図７に示すプローブ型装置について、マイクロピペット（７）に溶液（純水）（８）約9 μl、流動パラフィン（４）約0.8 μl、感熱応答性ポリマー溶液（１）10 wt% PNIPAAm約2 μlを封入し、ヒータ（２）に直流電圧15 Vを180秒間印加した際の感熱応答性ポリマー溶液（１）の体積変化量を測定した。
【００４０】
図８に上記の実験の結果を示す。ここで、図８の横軸は時間、縦軸は感熱応答性ポリマー溶液（１）の体積変化量を表す。
このように、図７に示す非特許文献１に記載のプローブ型デバイスでは、数十ナノリットルの溶液を噴出・吸引するために100秒程度の時間が必要であり、応答性が低い。また、加熱の途中で体積が減少するなど噴出・吸引の安定性が良くない。
【００４１】
このため、図２に記載のアクチュエータを用いたプローブ装置（図３）によるアクチュエーションの実験結果（図５及び図６）の方が感熱応答性ポリマー溶液（１）の体積変化の応答性も速く、かつ安定して数ナノリットルの溶液を噴出・吸引可能であることが確認された。
【００４２】
尚、本発明は前記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、感熱応答性ポリマー溶液（１）は、前記実施形態で用いたものの代わりに、メチルセルロースであってもよい。
【００４３】
また、開口部を有する容器（３）は、前記実施形態で用いたものの代わりに、図９に示すものであってもよい。この図９に示す開口部を有する容器（３）は、ポリジメチルシロキサンで作製されている、ヒータ部と可動する蓋の部分とで内径が異なるテーパーの付いている容器である。
【００４４】
また、可動する蓋（４）は、前記実施の形態で示したものの代わりに、図１０に示すものであってもよい。この図１０に示す可動する蓋（４）は、ポリジメチルシロキサンによる薄膜構造を有し、感熱応答性ポリマー溶液の体積変化に追従して膜が変形し、外部に駆動力を伝えるように動作する。
【符号の説明】
【００４５】
１  感熱応答性ポリマー溶液
２  ヒータ
３  開口部を有する容器
４  可動する蓋
５  チューブ
６  シーリング材
７  マイクロピペット
８  溶液
９  接着剤
１０  アクチュエータとインジェクタからなるプローブ型装置
１１  境界面の変位
１２  銅線
【図１】
2011256834.tif 000003
【図２】
2011256834.tif 000004
【図３】
2011256834.tif 000005
【図４】
2011256834.tif 000006
【図５】
2011256834.tif 000007
【図６】
2011256834.tif 000008
【図７】
2011256834.tif 000009
【図８】
2011256834.tif 000010
【図９】
2011256834.tif 000011
【図１０】
2011256834.tif 000012