(57)【要約】【課題】微少流量の流体を脈動なく連続的かつ定量的に安定して移送することができるマイクロポンプを提供する。【解決手段】マイクロポンプ１は、内部に流体が流通される弾性チューブ１０と、弾性チューブ１０を支持するチューブサポート２０と、螺旋状の突起部３２が形成された回転体３０と、回転体３０を回転させるモータ４０とを備えている。回転体３０は、チューブサポート２０に支持される弾性チューブ１０に沿って配置され、弾性チューブ１０を長手方向に沿った複数の押圧点で押圧する。モータ４０は、複数の押圧点を弾性チューブ１０の長手方向に沿って移動させる。長手方向の少なくとも一部の区間において、長手方向に沿って隣り合う押圧点の間隔を長手方向に沿って変化させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に流体が流通される弾性チューブと、
前記弾性チューブを支持するチューブサポートと、
前記チューブサポートにより支持された弾性チューブの長手方向に沿って配置され、該弾性チューブを長手方向に沿った複数の押圧点で押圧する螺旋状の突起部が形成された回転体と、
前記回転体を回転させて、前記弾性チューブの複数の押圧点を前記弾性チューブの長手方向に沿って移動させる回転駆動機構と、
を備え、
前記長手方向の少なくとも一部の区間において、前記長手方向に沿って隣り合う前記押圧点の間隔が前記長手方向に沿って変化していることを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記突起部のリードが前記長手方向に沿って変化していることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
前記突起部の条数が前記長手方向に沿って変化していることを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
内部に流体が流通される弾性チューブと、
前記弾性チューブを支持するチューブサポートと、
前記チューブサポートにより支持された弾性チューブの長手方向に沿って配置され、該弾性チューブを長手方向に沿った複数の押圧点で押圧する螺旋状の突起部が形成された回転体と、
前記回転体を回転させて、前記弾性チューブの複数の押圧点を前記弾性チューブの長手方向に沿って移動させる回転駆動機構と、
を備え、
前記回転体の外径が前記長手方向に沿って変化していることを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項５】
前記回転体の前記長手方向に沿った両端部が中央部分よりも外径が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載のマイクロポンプ。
【請求項６】
前記回転体の外径が前記長手方向に沿って連続的に変化していることを特徴とする請求項４に記載のマイクロポンプ。
【請求項７】
内部に流体が流通される弾性チューブと、
前記弾性チューブを支持するチューブサポートと、
前記チューブサポートにより支持された弾性チューブの長手方向に沿って配置され、該弾性チューブを長手方向に沿った複数の押圧点で押圧する螺旋状の突起部が形成された回転体と、
前記回転体を回転させて、前記弾性チューブの複数の押圧点を前記弾性チューブの長手方向に沿って移動させる回転駆動機構と、
を備え、
前記突起部と前記チューブサポートとの間の隙間が前記長手方向に沿って変化していることを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項８】
前記突起部は、前記長手方向に垂直な断面において、前記回転体の径方向に対して非対称の形状を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のマイクロポンプ。
【請求項９】
螺旋状の突起部が形成された回転体であって、
前記回転体の長手方向の少なくとも一部の区間において、前記長手方向に沿って隣り合う前記突起部の間隔が前記長手方向に沿って変化していることを特徴とする回転体。
【請求項１０】
前記突起部のリードが前記長手方向に沿って変化していることを特徴とする請求項９に記載の回転体。
【請求項１１】
前記突起部の条数が前記長手方向に沿って変化していることを特徴とする請求項９に記載の回転体。
【請求項１２】
螺旋状の突起部が形成された回転体であって、
前記回転体の外径が前記回転体の長手方向に沿って変化していることを特徴とする回転体。
【請求項１３】
前記回転体の前記長手方向に沿った両端部が中央部分よりも外径が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の回転体。
【請求項１４】
前記回転体の外径が前記長手方向に沿って連続的に変化していることを特徴とする請求項１２に記載の回転体。
【請求項１５】
前記突起部は、前記長手方向に垂直な断面において、前記回転体の径方向に対して非対称の形状を有することを特徴とする請求項９から１４のいずれか一項に記載の回転体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロポンプに係り、特にマイクロリアクタやマイクロＴＡＳ（Total  Analysis  System）のように粘度の高い微少流量の化学薬品を取り扱うのに好適なマイクロポンプに関するものである。また、本発明は、回転体に係り、特にマイクロポンプに用いられる回転体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、医薬品製造プロセスや医療用で使用される微少流量の流体を一方向に向けて精度よく送るポンプとしては、スクリューを回転させることによりスクリュー内部の流体を移送するスクリューポンプ、ローラなどで外部からチューブを押し潰すことにより流体を移送するチューブポンプ、注射器（シリンジ）のピストンをアクチュエータで制御することにより流体を移送するシリンジポンプなどが知られている。いずれのポンプにも一長一短があるが、特に薬品製造プロセスや医療用で使用されるポンプには、微少流量の流体を脈動なく連続的かつ定量的に移送することが求められている。
【０００３】
上述したチューブポンプとしては、例えば、チューブのねじりと複数のバルブを併用することにより送液を実現するものが知られている（例えば特許文献１，２参照）。しかしながら、これらのチューブポンプでは、送液のときに生じる圧力脈動を低減させることが難しく、上述した医療や医薬の分野における各種検査や製造に用いるには問題が多い。
【０００４】
また、圧電素子を用いた超音波モータを利用してポンプ全体の小型化を実現したチューブポンプも知られている（例えば特許文献３参照）。上述した医療や医薬の分野における各種検査や製造においては、通常は複数の異なった状態や物性の試薬を同時にある一定の流量で脈動なく安定して送液することが求められるが、特許文献３に開示されたチューブポンプは１本のチューブを備えているだけであり、単一の流体しか送ることができない。また、このチューブポンプは、送液のときに生じる圧力脈動を低減できるような構造を有しておらず、医療や医薬の分野における各種検査や製造において求められる仕様を十分に満足させることはできない。
【０００５】
また、スクリュー状の突起部を用いた流体移送装置（例えば特許文献４参照）やその他のチューブポンプやシリンジポンプも開発されているが、医療や医薬の分野における各種検査や製造において求められる仕様、すなわち、複数の異なった状態や物性の試薬を同時にある一定の流量で脈動なく安定して送液することを満足する技術は開発されていなかった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２７８４９５号公報
【特許文献２】特開２００１−８２３４３号公報
【特許文献３】特開２００３−４９７８４号公報
【特許文献４】特開２０００−１４６０９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、微少流量の流体を脈動なく連続的かつ定量的に安定して移送することができるマイクロポンプを提供することを第１の目的とする。また、本発明は、かかるマイクロポンプに好適に用いることができる回転体を提供することを第２の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様によれば、微少流量の流体を脈動なく連続的かつ定量的に安定して移送することができるマイクロポンプが提供される。このマイクロポンプは、内部に流体が流通される弾性チューブと、上記弾性チューブを支持するチューブサポートと、上記チューブサポートにより支持された弾性チューブの長手方向に沿って配置された回転体とを備えている。この回転体には、上記弾性チューブを長手方向に沿った複数の押圧点で押圧する螺旋状の突起部が形成されている。また、マイクロポンプは、上記回転体を回転させて、上記弾性チューブの複数の押圧点を上記弾性チューブの長手方向に沿って移動させる回転駆動機構を備えている。さらに、上記長手方向の少なくとも一部の区間において、上記長手方向に沿って隣り合う上記押圧点の間隔を上記長手方向に沿って変化させている。この場合において、上記突起部のリードを上記長手方向に沿って変化させてもよく、あるいは、上記突起部の条数を上記長手方向に沿って変化させてもよい。なお、弾性チューブの長手方向に沿って隣り合う上記押圧点の間隔を、上記長手方向のすべての場所で必ず変化させる必要はなく、隣り合う上記押圧点の間隔が互いに同一となる区間があってもよい。すなわち、上記突起部のリードあるいは条数を弾性チューブの長手方向に沿って適切に設定することで、上記長手方向の少なくとも一部の区間において、上記長手方向に沿って隣り合う上記押圧点の間隔を上記長手方向に沿って変化させることが可能となる。
【０００９】
本発明の第２の態様によれば、微少流量の流体を脈動なく連続的かつ定量的に安定して移送することができるマイクロポンプが提供される。このマイクロポンプは、内部に流体が流通される弾性チューブと、上記弾性チューブを支持するチューブサポートと、上記チューブサポートにより支持された弾性チューブの長手方向に沿って配置された回転体とを備えている。この回転体には、該弾性チューブを長手方向に沿った複数の押圧点で押圧する螺旋状の突起部が形成されている。また、マイクロポンプは、上記回転体を回転させて、上記弾性チューブの複数の押圧点を上記弾性チューブの長手方向に沿って移動させる回転駆動機構を備えている。さらに、上記回転体の外径を上記長手方向に沿って変化させている。この場合において、上記回転体の外径を上記長手方向に沿って連続的に変化させてもよいし、あるいは、上記回転体の上記長手方向に沿った両端部を中央部分よりも外径が小さくなるように形成してもよい。
【００１０】
本発明の第３の態様によれば、微少流量の流体を脈動なく連続的かつ定量的に安定して移送することができるマイクロポンプが提供される。このマイクロポンプは、内部に流体が流通される弾性チューブと、上記弾性チューブを支持するチューブサポートと、上記チューブサポートにより支持された弾性チューブの長手方向に沿って配置された回転体とを備えている。この回転体には、該弾性チューブを長手方向に沿った複数の押圧点で押圧する螺旋状の突起部が形成されている。また、マイクロポンプは、上記回転体を回転させて、上記弾性チューブの複数の押圧点を上記弾性チューブの長手方向に沿って移動させる回転駆動機構を備えている。さらに、上記突起部と上記チューブサポートとの間の隙間を上記長手方向に沿って変化させている。
【００１１】
また、上記突起部の形状を、上記長手方向に垂直な断面において、上記回転体の径方向に対して非対称となるようにしてもよい。
【００１２】
本発明の第４の態様によれば、上述したマイクロポンプに好適に用いられる螺旋状の突起部が形成された回転体が提供される。この回転体においては、長手方向の少なくとも一部の区間において、上記長手方向に沿って隣り合う上記突起部の間隔を上記長手方向に沿って変化させている。この場合において、上記突起部のリードを上記長手方向に沿って変化させてもよく、あるいは、上記突起部の条数を上記長手方向に沿って変化させてもよい。なお、回転体の長手方向に沿って隣り合う上記突起部の間隔を、上記長手方向のすべての場所で必ず変化させる必要はなく、隣り合う上記突起部の間隔が互いに同一となる区間があってもよい。すなわち、上記突起部のリードあるいは条数を回転体の長手方向に沿って適切に設定することで、上記長手方向の少なくとも一部の区間において、上記長手方向に沿って隣り合う上記突起部の間隔を上記長手方向に沿って変化させることが可能となる。
【００１３】
本発明の第５の態様によれば、上述したマイクロポンプに好適に用いられる螺旋状の突起部が形成された回転体が提供される。この回転体においては、外径を上記回転体の長手方向に沿って変化させている。この場合において、上記回転体の外径を上記長手方向に沿って連続的に変化させてもよいし、あるいは、上記回転体の上記長手方向に沿った両端部を中央部分よりも外径が小さくなるように形成してもよい。
【００１４】
また、上記突起部の形状を、上記長手方向に垂直な断面において、上記回転体の径方向に対して非対称となるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
上述した構成により、上記突起部が弾性チューブを該弾性チューブの長手方向に沿った複数の押圧点で押圧するため、隣接する押圧点の間の弾性チューブ内部に一定容積の密閉空間が形成され、その密閉空間が弾性チューブの長手方向に沿って複数個互いに隣接して直列に形成される。そして、上記回転駆動機構により上記押圧点を弾性チューブの長手方向に沿って移動させると、弾性チューブ内の流体が押圧点の移動に伴って弾性チューブの長手方向に沿って移動し、この結果、弾性チューブの一端から供給された流体が他端に移送される。
【００１６】
ここで、上記「密閉空間」には、隣接する押圧点の間が完全に密閉されている場合だけではなく、押圧点で押圧された弾性チューブの内部に、流体の移送や圧力の上昇のために実用上問題とならない程度の微小な隙間が形成されている場合も含まれる。このような微小な隙間が形成されていても、隣接する密閉空間の間で所定の圧力差を持たせることができるため、マイクロポンプの吸込側と吐出側との間で所望の圧力差を維持することができ、流体等の移送や圧力の上昇が可能となる。
【００１７】
また、弾性チューブに沿って複数個互いに隣接して直列に形成される密閉空間により所定の圧力差を維持することができるが、このことは、直列に形成される密閉空間の数が多ければ多いほど、弾性チューブの一端（マイクロポンプの吸込側）と他端（マイクロポンプの吐出側）との間でより大きな圧力差を確保できることを意味する。したがって、直列に形成される密閉空間の数を多くすることにより、流体をより高い圧力に昇圧することができる。
【００１８】
特に、螺旋状の突起部と弾性チューブを用いた場合には、無脈動（事実上無視できる程度の脈動がある場合を含む）、流量の安定性（定流量性）、高い吐出圧力、および高い耐久性が要求されるが、本発明に係るマイクロポンプによれば、これらの要求を満たすことができる。また、ポンプ内部において化学反応の進行と並行して試薬を移送するような場合においては、化学反応によって液体中から気体もしくは固体が析出したり、試薬の体積が減少もしくは増加したりすることも考えられるが、本発明に係るマイクロポンプによれば、かかる場合にも適切に対応することができる。すなわち、上述の説明では、隣接する押圧点の間の弾性チューブ内部に一定容積の密閉空間が形成されるとしているが、これは、例えばマイクロポンプ運転中のある瞬間における状態について述べており、回転体に形成された螺旋状の突起部の螺旋のリードや条数が弾性チューブの長手方向に沿って変化している場合には、弾性チューブ内部に形成された密閉空間の容積は回転体の回転により変化し得るものであることは言うまでもない。
【００１９】
なお、本発明においては、上記弾性チューブによる流体の移送（搬送）作用は、そのまま本発明に係るマイクロポンプの移送作用となる。すなわち、弾性チューブの一端は移送（搬送）されるべき流体の供給源に接続され、他端は該流体を利用する側（流体を必要とする側）に接続される。上述したように、弾性チューブの長手方向には密閉された空間が複数個直列に形成され、回転駆動機構によりそれらの密閉空間を弾性チューブの長手方向に移動することができる。このことは、本発明に係るマイクロポンプによる流体の移送原理を示すものであり、したがって、弾性チューブによる流体の移送（搬送）作用は、そのまま本発明に係るマイクロポンプの移送作用となる。
【００２０】
本発明に係るマイクロポンプによれば、少なくとも圧力や流量の脈動（時間に対する変動）を実用上無視できる程度に低減して、微少流量の流体を連続的かつ一定の流量で安定して移送することができる。すなわち、本発明に係るマイクロポンプによれば、１本の弾性チューブに対して、長手方向に多数の押圧点で押圧することができる。このように多数の押圧点で押圧することにより、１つの押圧点を挟んだ両側で流体の漏れが生じても、他の多数の押圧点で押圧しているため、全体として流体の漏れ量を少なくすることができる。したがって、微少流量の流体を移送する場合、例えば、回転速度が低い場合においても、定量的に（一定の流量で）流体を移送することができる。
【００２１】
また、漏れが少ないということは流体を加圧しても逆流する流量が少ないということを意味するので、高圧の流体を移送することや流体を低圧部から高圧部へ移送することができる。さらに、移送される流体はチューブに封止され、外部の機械類に触れないため、危険性のある流体（試薬）が外部に漏洩せず安全に運転が可能（移送が可能）であり、マイクロポンプの洗浄性および耐薬品性も高めることができる。また、逆に流体に外部から異物が溶け込むことを防止できるため、流体の純度を低化させることなく移送が可能である。さらに、往復運動ではなく回転運動を利用して流体を移送できるため、動作時の音が静かなマイクロポンプとすることができる。
【００２２】
さらに、螺旋状の突起部の条数やリード、ピッチ、およびリード角を好適に設計することにより、様々な吐出圧や流量のマイクロポンプを実現することができる。また、弾性チューブを押圧点で押圧して、その押圧点を挟む両側で流体の漏れを実用上許容できる程度に抑えるという簡単な原理を用いているので、液体をはじめとして、気液混合流体や、液体に微小な固体粒子が混入した固液混合流体、さらに固液混合流体に気体が混入した流体など、様々な状態の物質を広く取り扱う（移送する）ことができる。
【００２３】
また、複数の弾性チューブのそれぞれに異なる薬液などを流通させるように構成すれば、同時に複数の薬液を移送することができる。さらに、（例えば粘度のような）薬液の物理的物性や（例えば水素イオン指数ｐＨのような）化学的物性などに適した材質により弾性チューブを形成すれば、極めて多様な種類の物質を移送することができる。
【００２４】
上述したように、本発明に係るマイクロポンプによれば、微少流量の流体を脈動なく連続的かつ定量的に安定して移送することができる。また、本発明のマイクロポンプによれば、移送される流体はチューブに封止され外部の機械類に触れないため、マイクロポンプの洗浄性および耐薬品性を高めることができる。また、微少流量の流体を移送する場合、例えば、回転速度が低い場合においても、定量的に流体を移送することができる。また、往復運動ではなく回転運動を利用して流体を移送できるため、動作時の音が静かなマイクロポンプとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係るマイクロポンプの実施形態について図１から図１６を参照して詳細に説明する。なお、図１から図１６において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施形態におけるマイクロポンプ１を示す模式図である。図１に示すように、マイクロポンプ１は、内部に流体が流通される複数の弾性チューブ１０と、内周面に弾性チューブ１０を支持する円筒状のチューブサポート２０と、チューブサポート２０内に収容された回転体３０と、回転体３０を回転させるモータ４０とを備えている。モータ４０とチューブサポート２０とは、ベース５０に固定されており、チューブサポート２０が回転体３０とともに回転しないように構成されている。
【００２７】
ここで、回転体３０の両端または一端を、滑り軸受や転がり軸受、Ｖブロックなどによって支持してもよい。また、モータ４０としては、ＤＣモータやＡＣモータに限らず、ステッピングモータ、パルスモータ、超音波モータ、エアタービンモータなどあらゆる型式のモータを用いることができる。また、モータ４０と回転体３０とを直接接続せずに、モータ４０と回転体３０との間に、弾性カップリングや磁気カップリングなどのトルク伝達機構を介在させてもよい。
【００２８】
弾性チューブ１０としては、例えば内径が１ｍｍのシリコンゴムからなる弾性チューブを用いることができる。図１に示す例では、弾性チューブ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの吸込端は、第１の試薬が貯留された第１の試薬タンク５１に接続されており、弾性チューブ１０ｄ，１０ｅ，１０ｆの吸込端は、第２の試薬が貯留された第２の試薬タンク５２に接続されている。これらのチューブ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆの吐出端は、原料供給、化学反応、分離精製などを数ｍｌ／ｍｉｎ〜数十ｍｌ／ｍｉｎ程度の流量で行うマイクロリアクタ（図示せず）に接続されている。
【００２９】
それぞれのチューブ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆは、チューブサポート２０の入口と出口に取り付けられた固定リング２１によってチューブサポート２０に固定されている。本実施形態においては、複数のチューブ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆが回転体３０の軸方向に沿って平行に配置されている。なお、本実施形態では、６本のチューブ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆを用いた例を説明するが、チューブ１０の本数はこれに限られるものではない。
【００３０】
回転体３０の外周面には、螺旋状に延びる突起部３２が形成されており、この突起部３２は、チューブ１０を長手方向に沿った複数の箇所（押圧点）で押圧する押圧部として機能する。なお、この突起部３２の先端は、通常のねじ山のような鋭利な形状ではなく、滑らかな曲面形状を有していることが好ましい。また、本実施形態におけるモータ４０は、回転体３０を回転させて、チューブ１０の押圧点をチューブ１０の長手方向に沿って移動させる回転駆動機構として機能する。
【００３１】
このような構成のマイクロポンプ１において、チューブ１０は回転体３０の突起部３２により複数の押圧点で押圧され変形する。これらの押圧点においては、チューブ１０の内面が互いに密着し、流体の通路（流路）が閉止される。このように、それぞれのチューブ１０において、隣接する押圧点の間のチューブ１０内に一定容積の密閉空間が形成され、その密閉空間がチューブ１０に沿って複数個互いに隣接して直列に形成される。
【００３２】
そして、回転体３０の回転軸をチューブサポート２０に対して固定した状態で、モータ４０を駆動して回転体３０をチューブサポート２０に対して相対的に回転させると、回転体３０の外周面の突起部３２とチューブ１０との接触点（押圧点）がチューブ１０の長手方向に沿って移動する。この押圧点の移動に伴って、チューブ１０内の流体は突起部３２に絞られるようにしてチューブ１０の長手方向に沿って移動し、この結果、チューブ１０内の流体が移送される。
【００３３】
すなわち、マイクロポンプ１の出口において流体の圧力が所望の値まで上昇できるように、マイクロポンプ１はチューブ１０内の流体の静圧を上昇させるために仕事をする。チューブ１０内の流体が液体であり、流速が音速より十分に低い場合には、チューブ１０内の流体の容積は変化しない。吐出圧が過大で押圧点における流路の閉止部でチューブ１０内の流体を押さえきれなくなると、チューブ１０内の流体は上流側に微少量漏れる。すなわち、流体は全体としては上流から下流へ流れるが、ごく一部は逆流することとなる。このため、チューブ１０内では上流側から下流側に向かってピッチごとに、すなわち隣接した密閉空間ごとに階段状に上昇した圧力分布が生じる。通常のチューブポンプでは、チューブの上流側から下流側に至るまでを１点で押さえているため、得ることができる吐出圧は低い値にとどまっていたが、本実施形態に係るマイクロポンプ１によれば、回転体３０の突起部３２により複数の押圧点でチューブ１０を押圧しているため、吐出圧を高圧にすることができる。例えば、１ピッチの突起部３２で０．１ＭＰａの圧力差を得ることができる場合には、換言すれば、隣接する密閉空間の圧力差として０．１ＭＰａを達成できれば、１０ピッチの突起部３２をチューブサポート２０内に設けることにより吐出圧１ＭＰａのポンプを実現することができる。なお、上記では内径が１ｍｍのシリコンゴムからなる弾性チューブを用いて、流量が数ｍｌ／ｍｉｎから数十ｍｌ／ｍｉｎ程度であるマイクロポンプの例を示したが、例えば、より内径の小さい弾性チューブを使用したり、回転体３０の回転速度の調整などにより例えば０．１ｍｌ／ｍｉｎ以下の微少流量の流体の移送も実現できる。
【００３４】
また、図１に示すように、チューブ１０の長手方向に対して突起部３２の押さえ部が斜め方向を向いているため、マイクロポンプ１から吐出される流体の脈動を減少させることに有利に作用する。したがって、回転体３０の突起部３２のピッチやリード、回転体３０の長さを調整することにより、ポンプの吐出圧や流量などのポンプ特性を好適に設計することが可能になる。なお、突起部３２のリード角が大きくなると、図１における突起部３２の軸方向に対する傾きが小さくなる。
【００３５】
また、ある流体の移送において弾性チューブ１０を複数本用いれば、それぞれの弾性チューブ１０内の密閉空間が一定の時間間隔でマイクロポンプ１の吐出端に到達するようにすることができるので、例えば同一流量を１本の弾性チューブで移送する場合と比べて、吐出側における圧力や流量の時間変動（脈動）を小さく抑えることができる。このように、複数本の弾性チューブを用いることによっても、マイクロポンプ１から吐出される流体の脈動を減少させる効果が得られる。
【００３６】
また、例えば、回転体３０を長くすれば、１本のチューブ１０に対して多数の押圧点で押圧することができる。多数の押圧点で押圧することにより、１つの押圧点を挟んだ両側の密閉空間の間で流体の漏れが生じても、他の多数の押圧点で押圧しているため、全体として流体の漏れ量を少なくすることができる。すなわち、マイクロポンプ１の吸込圧力と吐出圧力との差圧を多数の押圧点で分担して保持することになるため、１つの押圧点で保持すべき圧力差が小さくなり、その両側の密閉空間の間で流体が漏れにくくなる。したがって、高圧の流体を移送することができる。
【００３７】
図２は、図１のマイクロポンプ１の回転体３０を示す模式図である。図２に示すように、本実施形態における回転体３０は、１条の突起部３２を有する１条スクリューとして構成されているが（換言すれば回転体３０は１条の螺旋状の突起部３２が形成された回転体であるが）、螺旋状の突起部３２のリード（ピッチ）が回転体３０の長手方向に沿って変化することにより、該長手方向に沿って隣り合う突起部３２の間隔が上記長手方向に沿って変化している。図２に示す例では、上流側の区間Ａ１では突起部３２のリード（ピッチ）が一定であるが、下流側の区間Ａ２ではマイクロポンプ１の吸込側から吐出側に向かって徐々に突起部３２のリード（ピッチ）を小さくしている。このような回転体３０を用いることによって、圧縮性の強い試薬（ガス状の試薬）を圧縮・昇圧することが可能になる。また、化学反応によってチューブ１０内の試薬の体積が移送中に減少するような場合においても、試薬を昇圧することが可能である。なお、本明細書においては、図２に示す回転体３０のように、長手方向に沿って螺旋状の突起部が形成された回転体のことを適宜スクリューとも言う。
【００３８】
ちなみに、図２において、突起部３２により回転体３０に形成される螺旋のつる巻き角の値が、図２の左側において正の値であるとすれば、回転軸３０の右側に行くほど、つる巻き角の絶対値が小さくなっていると表現することができる。そして、つる巻き角が０(零)という状態は、弾性チューブ内の流体の移送をその場所で停止させることを意味し得るし、つる巻き角を負の値とすることは流体を局所的に逆方向に移送する（逆流させる）こととなり得るから、特段の事情がない限り、通常ではつる巻き角は正の値に保つこととなる。
【００３９】
図３は、図２に示す回転体の変形例３０ａを示す模式図である。この例では、上流側の区間Ａ１では突起部３２のリード（ピッチ）が一定であるが、下流側の区間Ａ２１ではマイクロポンプ１の吸込側から吐出側に向かって徐々に突起部３２のリードが小さくなり、さらに下流側の区間Ａ２２では吸込側から吐出側に向かって徐々に突起部３２のリードが大きくなっている。すなわち、図３においては、回転体３０ａの左端から右端に向かって移行するにつれて、突起部３２のつる巻き角が正の値から始まって０（零）近傍まで減少した後、再び増加している。
【００４０】
また、マイクロポンプ１の吸込側から吐出側に向かって徐々に突起部３２のピッチを大きくしてもよく、そのような構成により、化学反応によってチューブ１０内の試薬の体積が移送中に増加するような場合にも対応することができる。特に、マイクロポンプを用いるようなマイクロリアクタは、反応部分の比体積が小さいことにより、爆発性の反応を安全に行う際に有効とされているため、化学反応を起こした際にガスが発生するような場合や、爆発性の反応が起こるような場合に本実施形態に係るマイクロポンプ１を適用すれば、得られる利点が大きいと考えられる。
【００４１】
すなわち、従来では、例えばバッチ処理において爆発性の反応を行う場合においては、温度暴走しないように反応させるために試薬の絶対量に制限があった。バッチ処理の性格上、反応させるために投入した試薬はそのすべてが反応に影響する。例えば、ある化学反応においてバッチ式の反応容器で温度暴走を防ぐためには、１０ｍｌずつしか生成物を得ることができないとすると、その反応において、１０００ｍｌの生成物が欲しい場合には、従来のバッチ処理を用いる場合には試薬を１００等分して１００回の反応を行わせる必要があり、大変面倒な作業にならざるを得なかった。これに対して、本発明に係るマイクロポンプによれば、弾性チューブ内で試薬の反応を行わせることもできる。すなわち、本発明に係るマイクロポンプにおいて極めて細い弾性チューブを用いることにより、押圧点の間に形成された密閉空間の容積を反応による危険性が生じない程度にまで小さくできる。さらに連続的に順次反応場所を移動することが可能である。したがって、マイクロポンプの弾性チューブにおいて、試薬を反応させる位置、例えば長手方向の位置を決定し、その位置において弾性チューブに対して、例えば冷却等の操作ができるようにマイクロポンプを構成し、適切に運転制御すれば、例えば温度暴走などを予防しつつマイクロポンプによって安全に試薬等からの反応物質を連続的に生成することが可能となる。また、これによって、多量の反応生成物を必要とする場合でも、同じ作業を繰り返して行う必要がないため、作業性を向上させることができる。
【００４２】
以上に述べたように、回転体に螺旋状の突起部を形成する場合、該回転体の長手方向に沿って隣り合う前記突起部の間隔が前記長手方向に沿って小さくなるようにまたは大きくなるように、例えば移送する試薬の反応に伴う体積変化を考慮して上記突起部を形成し、本発明に係るマイクロポンプに用いたときに、それぞれの弾性チューブにおいて隣接する押圧点の間の弾性チューブ内部の空間の容積を、該押圧点が（すなわち弾性チューブ内部の空間が）弾性チューブの長手方向に移動するに従って、減少または増大させることができるので、反応を伴うような試薬の移送であっても好適に行うことができる。なお、言うまでもなく、上述した回転体において、試薬等の反応が開始する以前に相当する部分や反応後であって反応生成物の体積が安定化した以降に相当する部分では、回転体の長手方向に沿って隣り合う突起部の間隔が同一となっていてもよい。
【００４３】
図４は、本発明の第２の実施形態におけるマイクロポンプの回転体１３０を示す模式図である。本実施形態におけるマイクロポンプの回転体１３０以外の部分については、上述した第１の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。図４に示すように、本実施形態における回転体１３０は、１条の突起部１３２ａを有する１条スクリューにより構成される１条スクリュー部１３３ａと、２条の突起部１３２ａ，１３２ｂを有する２条スクリューにより構成される２条スクリュー部１３３ｂとを有している。すなわち、回転体１３０に形成される突起部の条数が長手方向に沿って変化している。
【００４４】
このような回転体１３０を用いることによって、吐出側に向かうにしたがって、チューブ中の試薬をより細分化する、すなわち弾性チューブの長手方向に沿った押圧点の数を増加して内部に形成される密閉空間の数を増加することができる。このように、長手方向に沿ってチューブを押圧する部分を増やすことによって、試薬をより高い圧力まで昇圧することができる。例えば、回転体１３０の全体を２条スクリューにより構成すると、チューブと回転体１３０の接触部分が増えるため、摩擦が大きくなりポンプとしての効率が低下し、チューブの耐久性が下がってしまう。これに対して、本実施形態のように、回転体１３０の吐出側のスクリュー部の条数を増やせば、高圧になる吐出部において効果的にチューブ内部での漏れを減少して、高圧、高効率、および高耐久性を達成することができる。なお、本実施形態では、吐出側のスクリュー部の条数を増やした例を説明したが、これに限られるものではなく、試薬等の移送対象物質の性状や反応特性等によっては、吸込側のスクリュー部の条数を増やしてもよい。
【００４５】
図５は、本発明の第３の実施形態におけるマイクロポンプの回転体２３０を示す模式図である。本実施形態におけるマイクロポンプの回転体２３０以外の部分については、上述した第１の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。図５に示すように、本実施形態における回転体２３０は、１条の突起部２３２を有する１条スクリューにより構成されているが、回転体２３０の長手方向（チューブ内を試薬が流れる方向）の両端部の外径が中央部分に比べて次第に小さくなっており、これに伴い、突起部２３２の両端部の外径も小さくなっている。
【００４６】
例えば、図２に示すマイクロポンプの回転体３０では、チューブと突起部３２とが接触し始める点において、突起部３２のエッジ部分にチューブが噛み込む現象が生じることが懸念される。このようにチューブが突起部３２のエッジ部分、すなわち突起部３２の端部に噛み込むと、駆動トルクの増加、回転のムラ（これに伴う脈動）、およびチューブの損傷をもたらす。そこで、本実施形態においては、突起部２３２とチューブとが接触し始める部分において、突起部２３２の外径を徐々に大きくして、チューブと突起部２３２との接触を滑らかに開始させることにより、上述した問題を解決している。
【００４７】
図６は、本発明の第４の実施形態におけるマイクロポンプの回転体３３０を示す模式図である。本実施形態におけるマイクロポンプの回転体３３０以外の部分については、上述した第１の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。図６に示すように、本実施形態における回転体３３０は、１条の突起部３３２を有する１条スクリューとして構成されているが、長手方向（チューブ内を試薬が流れる方向）に沿って回転体３３０および突起部３３２の外径が連続的に変化している。図６に示す例では、回転体３３０および突起部３３２の外径がマイクロポンプの吸込側から吐出側に向かって連続的に大きくなっている。
【００４８】
このような回転体３３０を用いることによって、吐出側に向かうにしたがって回転体３３０とチューブサポート２０（図１参照）との隙間が小さくなるので、回転体３３０とチューブサポート２０の間に配設されたチューブの押し付け圧力が下流側へ向かうにつれて徐々に増大し、高い吐出圧力を得ることができる。例えば、回転体３３０の全体を図６の吐出側の外径で形成すると、回転体３３０とチューブサポート２０との間の隙間がポンプの全長において小さくなるため、摩擦が増大してポンプとしての効率が低下し、チューブの耐久性が下がってしまう。これに対して、本実施形態のように、吐出側に向かうにしたがって回転体３３０とチューブサポート２０との隙間を小さくすれば、高圧、高効率、および高耐久性を達成することができる。
【００４９】
図７は、本発明の第５の実施形態におけるマイクロポンプの回転体４３０およびチューブサポート４２０を示す模式図である。図６に示す第４の実施形態においては、回転体３３０の３次元形状が複雑になる。したがって、本実施形態では、１条の突起部４３２を有する回転体４３０を円錐台状のチューブサポート４２０の内部に収容し、突起部４３２とチューブサポート４２０との間の隙間が長手方向に沿って変化するようにしている。このような構成によれば、ごく基本的な形状の回転体４３０を用いることで上述した第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５０】
上述した第１から第５の実施形態は、本発明の技術的思想の範囲内において、それぞれ適宜組み合わせることができるものである。以下、これらの組み合わせの例について説明する。
【００５１】
図８は、本発明の第６の実施形態におけるマイクロポンプの回転体５３０を示す模式図であり、図２に示す第１の実施形態と図４に示す第２の実施形態とを組み合わせたものである。すなわち、本実施形態における回転体５３０は、１条の突起部５３２ａを有する１条スクリューにより構成される１条スクリュー部５３３ａと、２条の突起部５３２ａ，５３２ｂを有する２条スクリューにより構成される２条スクリュー部５３３ｂとを有しており、回転体５３０に形成される突起部の条数が長手方向に沿って変化している。さらに、それぞれの突起部５３２ａ，５３２ｂのピッチ（リード）は長手方向に沿って変化している。このような回転体５３０を用いることによって、圧縮性の流体や各種反応によって体積変化が生じるような流体を用いる場合においても、体積の変動を考慮しながらより高い圧力へ昇圧することができるという相乗作用を得ることができる。
【００５２】
図９は、本発明の第７の実施形態におけるマイクロポンプの回転体６３０を示す模式図であり、図２に示す第１の実施形態と図４に示す第２の実施形態と図５に示す第３の実施形態とを組み合わせたものである。すなわち、本実施形態における回転体６３０は、１条の突起部６３２ａを有する１条スクリューにより構成される１条スクリュー部６３３ａと、２条の突起部６３２ａ，６３２ｂを有する２条スクリューにより構成される２条スクリュー部６３３ｂとを有しており、回転体６３０に形成される突起部の条数が長手方向に沿って変化している。さらに、それぞれの突起部６３２ａ，６３２ｂのピッチ（リード）は長手方向に沿って変化している。また、回転体６３０の長手方向（チューブ内を試薬が流れる方向）の両端部の外径が中央部分に比べて次第に小さくなっている。
【００５３】
本発明に係るマイクロポンプでは、高圧化を実現するために回転体とその周囲のチューブサポートとの間の隙間を小さくする必要があるが、この隙間を小さくするとチューブと突起部とが接触し始めるときに回転体がチューブを巻き込む危険性がより大きくなる。このため、本実施形態では、回転体６３０の長手方向の両端部の外径を小さくすることにより、このような危険性を低減している。なお、マイクロポンプ吸込側における回転体６３０の端部の外径は、図９に示すように中央部分に比べて次第に小さく形成するが、マイクロポンプ吐出側における回転体６３０端部の外径は、例えば吐出側圧力の一層の高圧化を図るなどのために、必要に応じて、図２に示すように中央部分と同一の外径を保っていてもよい。これは、通常の場合においては、マイクロポンプの吐出側では突起部６３２ａ、６３２ｂ（または３２など）は弾性チューブと離れる向きに相対運動するので一般的には巻き込みの危険がないからである。
【００５４】
図１０は、本発明の第８の実施形態におけるマイクロポンプの回転体７３０を示す模式図であり、図２に示す第１の実施形態と図６に示す第４の実施形態とを組み合わせたものである。すなわち、本実施形態における回転体７３０においては、長手方向に沿って回転体７３０および突起部７３２の外径が連続的に変化するとともに、突起部７３２のピッチ（リード）が長手方向に沿って変化している。
【００５５】
図１１は、本発明の第９の実施形態におけるマイクロポンプの回転体８３０を示す模式図であり、図４に示す第２の実施形態と図６に示す第４の実施形態とを組み合わせたものである。すなわち、本実施形態における回転体８３０は、１条の突起部８３２ａを有する１条スクリューにより構成される１条スクリュー部８３３ａと、２条の突起部８３２ａ，８３２ｂを有する２条スクリューにより構成される２条スクリュー部８３３ｂとを有しており、長手方向に沿って回転体８３０および突起部８３２ａ，８３２ｂの外径が連続的に変化している。
【００５６】
図１２は、本発明の第１０の実施形態におけるマイクロポンプの回転体９３０を示す模式図であり、図２に示す第１の実施形態と図４に示す第２の実施形態と図６に示す第４の実施形態とを組み合わせたものである。すなわち、本実施形態における回転体９３０は、１条の突起部９３２ａを有する１条スクリューにより構成される１条スクリュー部９３３ａと、２条の突起部９３２ａ，９３２ｂを有する２条スクリューにより構成される２条スクリュー部９３３ｂとを有しており、回転体９３０に形成される突起部の条数が長手方向に沿って変化している。また、それぞれの突起部９３２ａ，９３２ｂのピッチ（リード）は長手方向に沿って変化しており、さらに、長手方向に沿って回転体９３０および突起部９３２の外径が連続的に変化している。
【００５７】
上述した実施形態の他にも、例えば、図１３に示すように、図２に示す第１の実施形態の回転体３０と図７に示す第５の実施形態のチューブサポート４２０とを組み合わせることもできる。あるいは、図１４に示すように、図４に示す第２の実施形態の回転体１３０と図７に示す第５の実施形態のチューブサポート４２０とを組み合わせることもできる。さらに、図１５に示すように、図８に示す第６の実施形態の回転体５３０と図７に示す第５の実施形態のチューブサポート４２０とを組み合わせることもできる。
【００５８】
図１６は、上述した各実施形態において採用することができる回転体１０３０の半径方向断面図である。図１６に示す例では、回転体１０３０の突起部１０３２の断面形状が、回転体１０３０の径方向に対して非対称になっている。このような断面にすることで、チューブ１０が回転体１０３０に引きずられて共回りしたり、回転体１０３０がチューブ１０に接触するときにチューブ１０を噛み込んだりすることを回避することができる。
【００５９】
本発明に係るマイクロポンプは、流体を移送させる原理の１つとして、弾性チューブを押圧点で押圧すると、その押圧点において弾性チューブの内部が閉止されるという現象を利用しているので、取り扱うことのできる物質の状態としては液体が最も好ましい。また、高粘度から低粘度の液体のほかにも、液体と気体との気液混合流体や液体中に微小な固体粒子が含まれる固液混合流体、あるいは固液混合流体にさらに気体が混合した流体などを様々な状態の物質を広く移送することが可能である。
【００６０】
また、上述した各実施形態においては、回転体を回転させる回転駆動機構としてモータを用いた例を説明したが、回転駆動機構はモータに限られるものではない。例えば、往復直線運動を回転運動に変換するクランクシャフトを有する回転駆動機構や手で回す機構を含む回転駆動機構など各種の回転駆動機構を用いることができる。回転駆動機構としてモータ（電動機）を用いれば、始動や停止、回転速度の調整などが容易であるうえ、一定回転速度での連続運転も容易であり、最適な運転を実現することができる。
【００６１】
上述した各実施形態におけるマイクロポンプによれば、例えば０．１ｍｌ／ｍｉｎ以下の微少流量の流体を移送することができる。また、流体を例えば１ＭＰａ程度昇圧することができる。さらに、移送される薬液はチューブに封止され外部の機械類に触れないため、流体に異物が溶け込むことを防止できるとともに、マイクロポンプの洗浄性および耐薬品性を高めることができる。また、微少流量の流体を移送する場合、例えば、回転速度が低い場合においても、定量的に流体を移送することができる。
【００６２】
また、往復運動ではなく回転運動を利用して流体を移送しているため、動作時の音が静かなマイクロポンプとすることができる。また、１つのポンプに同時に複数の弾性チューブを備えることで、同時に等しい流量の液体を送液できるため、複数の試薬を同時に等量移送可能である。このため、等量の薬液を混合する必要があるマイクロリアクタへの応用などに好適である。また、等量ではない化学反応を行う場合にも、同じ薬液を送液する弾性チューブの本数を適切に設定することで、薬液の混合比率を自由に制御することができる。さらに、同じ外径の弾性チューブでも、内径や剛性を変えることで流量を調整することができる。
【００６３】
また、上述した各実施形態におけるマイクロポンプは、スーパーフォーカス技術に利用することができる。スーパーフォーカス技術とは、流路を急激に絞ることによって各試薬の拡散距離を短くして、各試薬の混合を促進させる技術をいう。スーパーフォーカスにおいては、複数種類の試薬のための流路を交互に配置し、これらの流路を絞ることにより、マイクロな構造を用いることなく、マイクロサイズの試薬層を得ることができる。このスーパーフォーカスにおいては、多数の流路に各試薬を同時に等量送ることが求められるが、上述した各実施形態におけるマイクロポンプを用いればこれが可能となる。
【００６４】
これまで本発明の限られた実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるマイクロポンプを示す模式図である。
【図２】図１のマイクロポンプの回転体を示す模式図である。
【図３】図２に示す回転体の変形例を示す模式図である。
【図４】本発明の第２の実施形態におけるマイクロポンプの回転体を示す模式図である。
【図５】本発明の第３の実施形態におけるマイクロポンプの回転体を示す模式図である。
【図６】本発明の第４の実施形態におけるマイクロポンプの回転体を示す模式図である。
【図７】本発明の第５の実施形態におけるマイクロポンプの回転体およびチューブサポートを示す模式図である。
【図８】本発明の第６の実施形態におけるマイクロポンプの回転体を示す模式図である。
【図９】本発明の第７の実施形態におけるマイクロポンプの回転体を示す模式図である。
【図１０】本発明の第８の実施形態におけるマイクロポンプの回転体を示す模式図である。
【図１１】本発明の第９の実施形態におけるマイクロポンプの回転体を示す模式図である。
【図１２】本発明の第１０の実施形態におけるマイクロポンプの回転体を示す模式図である。
【図１３】図２に示す第１の実施形態の回転体と図７に示す第５の実施形態のチューブサポートとを組み合わせた例を示す模式図である。
【図１４】図４に示す第２の実施形態の回転体と図７に示す第５の実施形態のチューブサポートとを組み合わせた例を示す模式図である。
【図１５】図８に示す第６の実施形態の回転体と図７に示す第５の実施形態のチューブサポートとを組み合わせた例を示す模式図である。
【図１６】本発明に係るマイクロポンプの部分断面図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０    弾性チューブ
２０，４２０    チューブサポート
３０，１３０，２３０，３３０，４３０，５３０，５３０，７３０，８３０，９３０，１０３０    回転体
３２，１３２ａ，１３２ｂ，２３２，３３２，４３２，５３２ａ，５３２ｂ，６３２ａ，６３２ｂ，７３２，８３２ａ，８３２ｂ，９３２ａ，９３２ｂ，１０３２    突起部
４０    モータ
５０    ベース
５１，５２    試薬タンク
１３３ａ，５３３ａ，６３３ａ，８３３ａ，９３３ａ    １条スクリュー部
１３３ｂ，５３３ｂ，６３３ｂ，８３３ｂ，９３３ｂ    ２条スクリュー部
【図１】
2007263018.tif 000003
【図２】
2007263018.tif 000004
【図３】
2007263018.tif 000005
【図４】
2007263018.tif 000006
【図５】
2007263018.tif 000007
【図６】
2007263018.tif 000008
【図７】
2007263018.tif 000009
【図８】
2007263018.tif 000010
【図９】
2007263018.tif 000011
【図１０】
2007263018.tif 000012
【図１１】
2007263018.tif 000013
【図１２】
2007263018.tif 000014
【図１３】
2007263018.tif 000015
【図１４】
2007263018.tif 000016
【図１５】
2007263018.tif 000017
【図１６】
2007263018.tif 000018