(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体の変形によって加圧室の体積を変化させて、液体を分注するマイクロピペットの制御方法であって、
前記加圧室が所定の体積の状態から前記圧電体を駆動して前記加圧室の体積を増加させて液体を吸入する吸入工程と、
該吸入工程の後で、前記圧電体を駆動して前記加圧室を前記所定の体積よりも減少させて液体を排出する排出工程と
を含み、
前記圧電体が、独立に駆動可能な第１駆動部および第２駆動部を有しており、
前記吸入工程の前に、前記第１駆動部を駆動することで、前記加圧室を、前記所定の体積よりも体積が小さな状態から、前記所定の体積まで体積を増加させる吸入前工程を含んでおり、
前記吸入工程で、前記第２駆動部を駆動し、
前記排出工程で、前記第１駆動部および前記第２駆動部を駆動し、
前記排出工程が、
前記第１駆動部および前記第２駆動部のいずれか一方を駆動して、前記加圧室の体積を減少させた後、前記一方を駆動して振動させ続ける第１排出工程と、
該第１排出工程の後で、前記一方を振動させ続けながら、前記第１駆動部および前記第２駆動部の他方を駆動して、前記加圧室の体積を減少させる第２排出工程と
を含むことを特徴とするマイクロピペットの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロピペットの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＮＡ解析などのために、微量の液体を高精度に分注するために、圧電体を駆動することにより生じる体積変化を利用したマイクロピペットが知られていた（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２１３９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されているようなマイクロピペットは、電圧を加えることでマイクロピペット内の体積を減少させて、液体をマイクロピペット内に吸い込み、電圧を低下させる（０Ｖを含む）ことで、マイクロピペット内の体積を元の体積に近づける、あるいは戻すことで、所望の体積の液体を分注する。しかし、実際には液体の表面張力や、液体とマイロピペットの先端部との濡れ性により液体の一部がマイクロピペット内に残って、分注の精度が低くなるという問題があった。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、分注の精度を高くできるマイクロピペットの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のマイクロピペットの制御方法は、圧電体の変形によって加圧室の体積を変化させて、液体を分注するマイクロピペットの制御方法であって、前記加圧室が所定の体積の状態から前記圧電体を駆動して前記加圧室の体積を増加させて液体を吸入する吸入工程と、該吸入工程の後で、前記圧電体を駆動して前記加圧室を前記所定の体積よりも減少させて液体を排出する排出工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のマイクロピペットの制御方法によれば、液体を排出した後の、マイクロピペットに残る液体の量のばらつきを少なくでき、分注する液体の精度を高くできる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態のマイクロピペットの制御方法で制御するマイクロピペットの縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のマイクロピペットに用いられる圧電基板の平面図であり、（ｃ）は、本発明の他の実施形態のマイクロピペットの制御方法で制御するマイクロピペットに用いられる圧電基板の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係るマイクロピペットの制御方法で制御されるマイクロピペット１（以下で単にピペットと言うことがある）の一例の縦断面である。
【００１０】
ピペット１には、圧電体を含んで構成されている駆動部５０を駆動することで体積を変化させることのできる加圧室１０が設けられている。図示しない制御部により駆動部５０
を駆動することにより加圧室１０の体積が変化し、チップ８から液体を吸入あるいは排出することで、液体の分注ができる。
【００１１】
支持基板４は、金属などのプレートであり、例えば、厚さ５０μｍ〜５ｍｍ程度、１０〜１００ｍｍ□程度の大きさの四角形状をしている。支持基板４には、加圧室１０となる直径２〜５０ｍｍ程度の円形状の孔が形成されている。
【００１２】
支持基板４の上面には、圧電基板４０が積層されて接合されており、加圧室１０の上側の開口は、圧電基板４０で塞がれている。
【００１３】
支持基板４の下面には、接合部材６が積層されて接合されており、加圧室１０の下側の開口は、接合部材６で塞がれている。接合部材６は、支持基板４と接合されているのと反対側に円柱状の凸形状部を有しており、凸形状部にはチップ８が取り付けられている。接合部材６には、凸形状部を通って加圧室１０とチップ８内部とを繋げている直径０．１〜１ｍｍ程度の円管状の貫通孔６ａが設けられている。接合部材６は、例えばアクリルなどの樹脂で作製することができる。
【００１４】
チップ８は、接合部材６に取り付けられている側と反対側の先端に向かって内径が小さくなっている円管形状を有しており、先端の開口は直径０．１〜２ｍｍ程度である。加圧室１０の体積を変化させることで、チップ８の先端の開口から液体を吸入あるいは排出することができる。
【００１５】
圧電基板４０は、厚さ２０μｍ〜２ｍｍ程度で、３〜１００ｍｍ□程度の大きさの平板形状している。
【００１６】
圧電基板４０は、圧電体である２枚の圧電セラミック層４０ａ、４０ｂからなる積層構造を有している。圧電セラミック層４０ａ、４０ｂは、例えば、強誘電性を有する、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系、ＮａＮｂＯ３系、ＢａＴｉＯ３系、（ＢｉＮａ）ＮｂＯ３系、ＢｉＮａＮｂ５Ｏ１５系などのセラミックス材料からなる。圧電セラミック層４０ａは圧電駆動される部位であるが、圧電セラミック層４０ｂは、振動板として働く部位であり、必ずしも圧電セラミック材料で構成される必要はない。
【００１７】
圧電基板４０は、Ａｇ−Ｐｄ系などの金属材料からなる内部電極４２、およびＡｕ系などの金属材料からなる表面電極４４を有している。内部電極４２の厚さは２μｍ程度であり、表面電極４４の厚さは、１μｍ程度である。圧電セラミック層４０ａ、４０ｂの厚さは、例えば、各２０μｍである。また本実施形態では、圧電セラミック層は２層であるが３層以上の層構成にして、間に異なる電位となる電極を配置した多層構造にしてもよい。
【００１８】
内部電極４２は、圧電セラミック層４０ａと、圧電セラミック層４０ｂとの間に配置されており、圧電基板４０と略同じ大きさを有する。
【００１９】
表面電極４４は、加圧室１０と略相似形の円形状をした表面電極本体４４ａと、表面電極本体４４ａから、加圧室１０の外まで引き出されている引出電極４４ｂとを含んでいる。引出電極４４ｂは、外部の制御部と電気的に接続される。加圧室１０の外で接続されていることにより、その接続部分が、駆動部５０の挙動に影響を与え難くなっている。
【００２０】
内部電極４２と表面電極本体４４ａとの間には、圧電セラミック層４０ａの一部が挟まれている。そして、内部電極４２と表面電極本体４４ａとが対向している領域の、内部電極４２、表面電極本体４４ａ、圧電セラミック層４０ａおよび圧電セラミック層４０ｂで駆動部５０が構成されている。
【００２１】
また、圧電セラミック層４０ａには、圧電基板４０の表面に配置されている接続電極４６、および接続電極４６と内部電極４２とを電気的に接続する貫通電極４８が設けられている。外部にある制御部から、引出電極４４ｂと接続電極４６との間に電圧を加えることで、表面電極本体４４ａと内部電極４２との間の圧電セラミック層４０ａに電圧が加わり、圧電セラミック層４０ａが圧電変形し、駆動部５０が駆動される。
【００２２】
駆動部５０の挙動について説明する上で、圧電セラミック層４０ａは上に向かって分極されており、これと逆方向の下向きに電界を生じさせる、あるいはその方向の電界を強くするように、表面電極本体４４ａと内部電極４２との間に電位差を生じさせるようにすることを、電圧を高くする、あるいは単に電圧を加えると言う。結果的に同様の挙動になるようにすれば、分極の方向、電圧の加え方は逆になっていてよい。また、駆動部５０を駆動するとは、加える電圧を、第１電圧から、第１電圧とは異なる第２電圧にすることであり、必要であればさらに第３電圧、第４電圧と電圧を変えることを指す。第１電圧および第２電圧のどちらか一方は０（ゼロ）Ｖであってもよい。また、便宜上、電圧が０（ゼロ）Ｖであっても、そのような電圧を加えると表現することがある。
【００２３】
駆動部５０に電圧が加わると、圧電変形により、圧電セラミック層４０ａは、平面方向に伸びる。圧電セラミック層４０ｂには大きな電界は加わらず（なお、必要性がないので圧電セラミック層４０ｂは分極されないことが多い）、圧電セラミック層４０ｂの大きさは直接的には変わらない。上側が平面方向に広がるので、駆動部５０は、上側に凸変形し加圧室の体積は大きくなる。逆の電圧を加えれば、圧電セラミック層４０ａは、平面方向に縮み、駆動部５０は、下側に凸変形し加圧室の体積は小さくなる。
【００２４】
本実施形態のピペットの制御方法では、ピペット１の引出電極４４ｂと接続電極４６との間に、外部から電圧を加えることで液体の分注を行なう。
【００２５】
分注は、加圧室１０が所定の体積の状態から駆動部５０を駆動して加圧室１０の体積を増加させて液体を吸入する吸入工程と、吸入工程の後で、駆動部５０を駆動して所定の体積よりも減少させて液体を排出する排出工程とを含んでいる。つまり、吸入工程における体積変化の絶対値よりも、排出工程における体積変化の絶対値が大きくなっている。これにより、排出工程においては、吸入工程分の体積変化（体積減少）が終わった後に、さらに加圧室１０の体積減少が続くことになる。
【００２６】
排出工程において、吸入工程分の体積変化が終わった状態では、吸入した液体のうちのある程度の部分は、チップ８より外部に押し出されている。しかし、チップ８の内壁には、液体の残渣が残っており、一旦チップ８より外部に押し出された液体の一部も、チップ８の先端との濡れ、および液体の表面張力の影響で、引き戻されてチップ８の先端に残ってしまう。
【００２７】
そこで、吸入工程分の体積変化が終わった後に、さらに加圧室１０の体積減少が続くことにより、チップ８の内壁に付着した液体が外部に押し出され易くなる。また、一旦チップ８より外部に押し出された液体が、チップ８の先端でちぎれる状態が安定するので、チップ８の先端に残る液体の量のばらつきが小さくなり、分注する液体の体積のばらつきも小さくできる。
【００２８】
より具体的な電圧制御方法としては、次に示す方法がある。電圧を加えない自然状態の加圧室１０の体積をＣ０［ｍｍ２］（以下で単位を省略することがある）として説明する。
【００２９】
電圧０［Ｖ］（以下で単位を省略することがある）、体積Ｃ０の状態から電圧Ｖ１（＞０）を加えて、体積をＣ１（Ｃ１＞Ｃ０）にする。続いて、ピペット１を分注する液体に付けて、電圧Ｖ２（＞Ｖ１）を加えて、体積をＣ２（＞Ｃ１）とすることで、液体を吸入する吸入工程を行なう。続いて、ピペット１を分注する先の場所に移動させるなどした後、電圧を０に戻して体積をＣ０にすることで排出工程を行なう。Ｃ２−Ｃ０＞Ｃ１−Ｃ０であるので、排出工程での体積変化は、吸入工程における体積変化よりも大きくできる。
【００３０】
また、次にようにしてよい、電圧０、体積Ｃ０の状態のピペット１を分注する液体に付けて、電圧Ｖ３（＞０）を加えて、体積をＣ３（Ｃ３＞Ｃ０）にすることで吸入工程を行なう。続いて、電圧Ｖ４（＜０）を加えて、体積をＣ４（＜Ｃ０）とすることで、排出工程を行なう。その後、電圧を０に戻す。Ｃ３−Ｃ４＞Ｃ３−Ｃ０であるので、排出工程での体積変化は、吸入工程における体積変化よりも大きくできる。
【００３１】
以上のような、ピペットの制御方法により、０．１〜１０μＬ程度の液体を精度良く分注することができる。
【００３２】
また、上述の制御方法は、次に示すピペットに対して適用してよい。図１（ｃ）は、ピペット１で示した圧電基板４０の代わり用いることのできる圧電基板１４０の平面図である。
【００３３】
圧電基板１４０の層構成は、圧電基板４０と同じであり、表面の電極の構成が変わっている。圧電基板１４０の表面には、第１表面電極１４４と、第２表面電極１４５とが配置されている。
【００３４】
第２表面電極１４５は、加圧室１０と略相似形の円形状をした第２表面電極本体１４５ａと、第２表面電極本体１４５ａから、加圧室１０の外まで引き出されている第２引出電極１４５ｂとを含んでいる。第１引出電極１４５ｂは、外部の制御部と電気的に接続される。内部電極４２と第２表面電極本体１４５ａとが対向している領域の、内部電極４２、第２表面電極本体１４５ａ、圧電セラミック層４０ａおよび圧電セラミック層４０ｂで第２駆動部１５１が構成されている。
【００３５】
第１表面電極１４４は、第２表面電極本体１４５ａを囲んでいる環状（第２引出電極１４５ｂが引き出されている部分は途切れている）の第１表面電極本体１４４ａと、第１表面電極本体１４４ａから、加圧室１０の外まで引き出されている第１引出電極１４４ｂとを含んでいる。第２表面電極本体１４５ａの外周は、加圧室１０と略相似形状をとなっている。第１引出電極１４４ｂは、外部の制御部と電気的に接続される。内部電極４２と第１表面電極本体１４４ａとが対向している領域の、内部電極４２、第１表面電極本体１４４ａ、圧電セラミック層４０ａおよび圧電セラミック層４０ｂで第１駆動部１５０が構成されている。
【００３６】
第２表面電極１４４と第２表面電極１４５とは離間して配置されており、別々の電圧を加えられるようになっている。
【００３７】
第２駆動部１５１に電圧を加えた場合の挙動は、上述した駆動部５０と同様になる。第１駆動部１５０は、外周が加圧室１０の縁からある程度離れているため、第１駆動部１５０に電圧を加えた場合の挙動は、上述した駆動部５０と同様になる。（表面電極が加圧室１０の縁に沿って配置されて駆動部が構成されていると、電圧を加えて圧電セラミック層４０ａが平面方向に伸びると、その部分が屈曲して、加圧室１０の上に位置する圧電基板１４０を支持基板４側に押し込むように動作するため加圧室１０の体積は減少する。）
以下の制御方法では、上述の形態に限らず、加圧室１０の体積を独立して変えることの
できる加圧部が２つ（以上）あればよい。
【００３８】
分注は、加圧室１０がある体積の状態から第１駆動部１５０を駆動して加圧室１０の体積を増加させて、所定の体積する吸入前工程と、吸入前工程の後で、第２駆動部１５１を駆動して加圧室１０の体積を所定の体積より増加させて液体を吸入する吸入工程と、吸入工程の後で、第１駆動部１５０および第２駆動部１５１を駆動して所定の体積よりも減少させて液体を排出する排出工程とを含んでいる。
【００３９】
このような制御を行なうことで単一電圧の電源を使用しての制御が容易になる。具体的には、例えば、次のように制御を行なう。
【００４０】
第１駆動部１５０に電圧０、第２駆動部１５１に電圧０を加え、体積Ｃ０の状態から第１駆動部１５０に電圧Ｖ１−１（＞０）を加えて、体積をＣ５（Ｃ５＞Ｃ０）にする。続いて、ピペット１を分注する液体に付けて、第２駆動部１５１に電圧Ｖ２−１（＞０）を加えて、体積をＣ６（＞Ｃ５）とすることで、液体を吸入する吸入工程を行なう。続いて、ピペット１を分注する先の場所に移動させるなどした後、第１駆動部１５０および第２駆動部１５１の電圧を０に戻して体積をＣ０にすることで排出工程を行なう。Ｃ６−Ｃ０＞Ｃ５−Ｃ０であるので、排出工程での体積変化は、吸入工程における体積変化よりも大きくできる。
【００４１】
また、排出工程を次のように行ってもよい。第１排出工程では、第１駆動部１５０を駆動して、加圧室１０の体積を減少させた後、第１駆動部１５０を駆動して振動させる。第１排出工程では、第１排出工程の後で、第１駆動部１５０の振動を続けながら第２駆動部１５１を駆動して、加圧室の体積を減少させる。第２排出工程は、基本的に第１排出工程の後に連続的に行なう。
【００４２】
このようにすれば、第２排出工程で、液体に振動が加わった状態で液体が排出されるため、チップ８の先端に液体が残り難くなり、残る液体の量のばらつきも小さくできる。
【００４３】
上述の例では、第１駆動部１５０を先に駆動し、振動させたが、第１駆動部１５０と第２駆動部１５１との役割を入れ替えて、第２駆動部１５１を先に駆動し、振動させるようにしてもよい。ただし、加圧室１０の外周に近い第１駆動部１５１を振動させた方が、加圧室１０の外壁、および接続部材６を通じてチップ８に振動が伝わり易いので、第１駆動部１５０を振動させる方が好ましい。また、振動は２０ｋＨｚ以上の周波数で加えるのが好ましい。また、振動による加圧室１０の体積変化を、Ｃ６−Ｃ０よりも小さくすることで、振動の中で加圧室１０の増加する挙動が、第２吐出工程における吐出動作に影響を与え難くできる。
【００４４】
第１駆動部１５０あるいは第２駆動部１５１を振動させるには、例えば次にようにすればよい。制御部が、第１駆動部１５０に加える電圧を０（ゼロ）からＶ７にし、加圧室１０の体積をＣ０からＣ７に変えようとする場合を考える。第１駆動部１５０のコンデンサ容量などの電気特性や、第１駆動部１５０の制御部までの配線の電気特性、さらには制御部内の電気特性により、電圧を０からＶ７に変わるまでには、所定の時間が必要である。また、電圧がＶ７になったとしても、第１駆動部１５０の変形が終了し、体積がＣ７に変わるまでにも所定の時間が必要である。したがって、このような状態において、体積がＣ７に変わる前に、電圧を０に戻せば（正確に言えば０に戻し始めれば）、加圧室１０の体積を大きく変えないで振動をさせることができる。このような制御は、単一電圧の電源を使用している場合でも容易である。
【符号の説明】
【００４５】
１・・・マイクロピペット
４・・・支持基板
６・・・接合部材
８・・・チップ
１０・・・加圧室
４０・・・圧電基板
４０ａ・・・圧電セラミック層
４０ｂ・・・圧電セラミック層（振動板）
４２・・・内部電極
４４、１４４・・・（第１）表面電極
４４ａ、１４４ａ・・・（第１）表面電極本体
４４ｂ、１４４ｂ・・・（第１）引出電極
４６・・・接続電極
４８・・・貫通電極
１４５・・・第２表面電極
１４５ａ・・・第２表面電極本体
１４５ｂ・・・第２引出電極
４６・・・接続電極
４８・・・貫通電極
５０、１５０・・・（第１）駆動部
１５１・・・第２駆動部
【図１】
0006430782.tif 000002