(57)【要約】【課題】極めて微小な容器内の液体であっても、液体の攪拌を実施可能とする液体攪拌装置の提供にある。【解決手段】容器としてのマイクロチャネル１４と、マイクロチャネル１４中に貯留された液体Ｆ中に配置され、液体Ｆの攪拌を行う攪拌子１７とを備えた液体攪拌装置１０であって、攪拌子１７は、本体と、本体に傾斜して取り付けられ、本体に対して揺動自在な複数の羽根と、羽根の胴体部と本体との間に設けられ液体Ｆの圧力が変動することで伸縮・膨張する駆動手段としての気体が密封された可撓性の容器とを備え、液体Ｆの圧力を周期的に変動させる圧力変動装置としてのポンプ１３及び密閉容器１２を設け、該ポンプ１３を駆動させることにより羽根を揺動させて攪拌子１７を液体Ｆ中で移動させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、前記容器中に貯留された液体中に配置され、前記液体の攪拌を行う攪拌子とを備えた液体攪拌装置であって、
前記攪拌子は、本体と、前記本体に対して揺動自在に取り付けられた複数の羽根と、前記羽根の胴体部と前記本体との間に設けられ前記液体の圧力が変動することで伸縮・膨張する駆動手段とを備え、
前記液体の圧力を変動させる圧力変動装置を設けたことを特徴とする液体攪拌装置。
【請求項２】
前記駆動手段は、可撓性を有する容器の内部に気体を密封した構造であることを特徴とする請求項１に記載の液体攪拌装置。
【請求項３】
容器と、前記容器中に貯留された液体中に配置され、前記液体の攪拌を行う攪拌子とを備えた液体攪拌装置であって、
前記攪拌子は、本体と、前記本体に対して揺動自在に取り付けられた複数の羽根とを備え、
前記液体に振動を付加する振動付加装置を設けたことを特徴とする液体攪拌装置。
【請求項４】
前記攪拌子の大きさは、１μｍ〜１×１０４μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液体攪拌装置。
【請求項５】
前記羽根は本体に対して傾斜して取り付けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体攪拌装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体攪拌装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体攪拌装置の従来技術としては、例えば、特許文献１で開示された超音波攪拌装置が開示されている。特許文献１で開示された超音波攪拌装置は、柱状の圧電振動子と、圧電振動子と接続されその表面に磁石が固着された直線運動体と、直線運動体を支持する支持台と、直線運動体と間隔をあけて配置され内部に液体が充填されたマイクロチューブとを備えている。マイクロチューブ内の液体には攪拌子が投入されている。圧電振動子にその共振周波数に等しい周波数の交流電圧を印加することにより、圧電振動子の側面には一方向の振動変位が生じ、この一方向の振動変位は直線運動体に伝達され、直線運動体は直線運動を行う。直線運動体の運動に伴い、直線運動体に固着されている磁石も直線運動をし、この磁石の運動に連動する形で攪拌子も運動する。攪拌子の運動によって、マイクロチューブ内の液体が攪拌される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２２０３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１で開示された超音波攪拌装置では、液体を貯留するマイクロチューブの大きさが、例えば５００μｍ程度と、極めて微小である場合には確実に攪拌できない可能性が高い。マイクロチューブの大きさが極めて微小である場合には、マイクロチューブに投入される攪拌子を微小にする必要があり、攪拌子が微小であると、直線運動体に固着されている磁石の運動に連動しない恐れがある。そのため液体の攪拌が不可能又は不十分となる問題がある。
【０００５】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、極めて微小な容器内の液体であっても、液体の攪拌を実施可能とする液体攪拌装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、容器と、前記容器中に貯留された液体中に配置され、前記液体の攪拌を行う攪拌子とを備えた液体攪拌装置であって、前記攪拌子は、本体と、前記本体に対して揺動自在に取り付けられた複数の羽根と、前記羽根の胴体部と前記本体との間に設けられ前記液体の圧力が変動することで伸縮・膨張する駆動手段とを備え、前記液体の圧力を変動させる圧力変動装置を設けたことを特徴とする。
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、圧力変動装置により液体の圧力が変動すると、駆動手段が伸縮・膨張しそれに伴い羽根は揺動を繰り返す。この羽根の揺動によって攪拌子には推進力が生じ、攪拌子は液体中で移動することで液体の攪拌を行うことができる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の液体攪拌装置において、前記駆動手段は、可撓性を有する容器の内部に気体を密封した構造であることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明によれば、駆動手段が可撓性を有する容器の内部に気体を密封した構造なので、安価に製造可能である。
【００１０】
請求項３記載の発明は、容器と、前記容器中に貯留された液体中に配置され、前記液体の攪拌を行う攪拌子とを備えた液体攪拌装置であって、前記攪拌子は、本体と、前記本体に対して揺動自在に取り付けられた複数の羽根とを備え、前記液体に振動を付加する振動付加装置を設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明によれば、振動付加装置により液体に振動が付加されると、攪拌子の羽根は揺動しこの羽根の揺動によって攪拌子には推進力が生じ、攪拌子は液体中で移動することで液体の攪拌を行うことができる。請求項１と比べて構成が簡単である。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の液体攪拌装置において、前記攪拌子の大きさは、１μｍ〜１×１０４μｍであることを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の発明によれば、攪拌子の大きさは１μｍ〜１×１０４μｍとミクロンサイズであるが、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を活用して製作可能である。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体攪拌装置において、前記羽根は本体に対して傾斜して取り付けられていることを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明によれば、羽根は本体に対して傾斜して取り付けられているので、羽根を確実に揺動させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、液体の圧力を変動させることにより攪拌子を液体中で移動させることができるので、極めて微小な容器内の液体であっても、液体の攪拌を実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る液体攪拌装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態に係るマイクロデバイスの構成を示す模式図である。
【図３】第１の実施形態に係る攪拌子の拡大模式図である。（ａ）平面図を示し、（ｂ）（ａ）におけるＡ方向斜視図を示す。
【図４】第１の実施形態に係る攪拌子の作用説明の模式図である。（ａ）加圧後の状態を示し、（ｂ）加圧の解除後の状態を示す。
【図５】第１の実施形態に係る液体攪拌装置の作用説明の模式図である。
【図６】第２の実施形態に係る液体攪拌装置の概略構成を示す模式図である。
【図７】第２の実施形態に係るマイクロデバイスの構成を示す模式図である。
【図８】第２の実施形態に係る攪拌子の作用説明の模式図である。
【図９】第２の実施形態に係る攪拌子の作用説明の模式図である。（ａ）振動により一方に撓んだ状態を示し、（ｂ）振動により他方に撓んだ状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る液体攪拌装置を図１〜図５に基づいて説明する。
図１に示すように、液体攪拌装置１０は、マイクロデバイス１１と、マイクロデバイス１１を収容する密閉容器１２と、密閉容器１２と連結されたポンプ１３とを有している。
密閉容器１２には、密閉容器１２の内部と外部とを連通する貫通孔１２Ａが形成されており、ポンプ１３はこの貫通孔１２Ａと接続されている。ポンプ１３はベローズ式ポンプであり、ベローズを伸縮作動させることにより密閉容器１２内の気体圧力を変動させることができる。この圧力変動はマイクロデバイス１１内の液体Ｆに伝達される。なお、ポンプ１３及び密閉容器１２が液体Ｆの圧力を変動させる圧力変動装置に相当する。
【００１９】
図２に示すように、マイクロデバイス１１は、ガラスチップ上に形成されたマイクロチャネル１４と、マイクロチャネル１４に貯留された液体Ｆと、液体Ｆ中に配置された攪拌子１７とを備えている。なお、マイクロチャネル１４が容器に相当する。
マイクロチャネル１４は、微小な溝１５Ａが形成されたチャネルプレート１５と、液体Ｆの出入口１６Ａが形成されチャネルプレート１５を覆うカバープレート１６とから構成され、チャネルプレート１５とカバープレート１６とが張り合わされてチャネル２１が形成されている。
チャネル２１内には液体Ｆが貯留されているが、この液体Ｆは、種類の異なる複数の液体（例えば試薬など）を混合したものである。本実施形態では試薬の分散性を向上するためにチャネル２１内で液体Ｆの混合攪拌が行われる。
なお、マイクロチャネル１４の大きさは、数１００μｍ以上であるが、例えば、ＭＥＭＳ技術を活用して製作可能である。
【００２０】
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、攪拌子１７は、本体１８と、本体１８に傾斜して取り付けられた複数の羽根１９と、羽根１９の胴体部１９Ａと本体１８との間に設けられた気体室２０とを備えている。
本体１８は、直方体状の形状を有し、樹脂材料により形成されている。
羽根１９は、短冊状の形状を有し、樹脂製の板部材から形成されている。羽根１９は、本体１８の対向する長辺側の側面１８Ａに図示しないマイクロヒンジを介して、側面１８Ａに対して傾斜して取り付けられている。図３（ａ）に示すように、羽根１９の基端と側面１８Ａとの連結ポイントをＱとすると、連結ポイントＱの部位にマイクロヒンジは設けられている。羽根１９は、連結ポイントＱを中心に揺動自在に取り付けられている。なお、マイクロヒンジはＭＥＭＳ技術を活用して作成された微小なヒンジのことを指す。本体１８の両側面１８Ａに取り付けられた羽根１９は、本体１８に対して対称な位置関係にある。
【００２１】
気体室２０は、樹脂製の可撓性容器２２内に空気を密封することにより形成され、ボール状の形状をしている。可撓性容器２２と羽根１９の胴体部１９Ａ及び可撓性容器２２と側面１８Ａとはそれぞれ固着されている。なお、気体室２０を有する可撓性容器２２が駆動手段に相当する。
羽根１９に加わる圧力が変動し気体室２０が変形（伸縮・膨張）した場合には、羽根１９は連結ポイントＱを支点として揺動する。
なお、攪拌子１７の大きさは、１μｍ〜１×１０４μｍであるが、マイクロチャネル１４よりは小さく形成されており、ＭＥＭＳ技術を活用して製作可能である。
【００２２】
以上の構成を有する液体攪拌装置１０について、作用説明を行う。
先ず、ポンプ１３を駆動することにより密閉容器１２内の気体圧力（空気圧力）を変動させる。この圧力変動の大きさ及び周期は、ポンプ１３のベローズの伸縮ストロークと単位時間当たりの伸縮頻度により調整可能である。
この密閉容器１２内の圧力変動は、密閉容器１２内に設置されているマイクロデバイス１１内の液体Ｆに伝達される。すなわち、マイクロデバイス１１内の液体Ｆは、出入口１６Ａを介して密閉容器１２内の気体と接触しており、密閉容器１２内の圧力変動がそのまま液体Ｆに伝達される。
【００２３】
例えば、ポンプ１３が駆動して液体Ｆが加圧されて圧力Ｐ１から圧力Ｐ２となる（加圧状態）と、図４（ａ）に示すように、液体Ｆ中の攪拌子１７には圧力Ｐ２が作用し、この圧力Ｐ２によって気体室２０が圧縮されそれに伴い羽根１９は連結ポイントＱを支点として本体１８側に近づく方向に動く。このとき、羽根１９の先端が円弧の軌跡を描く。
一方、加圧状態が解消された場合（定常状態）には、図４（ｂ）に示すように、気体室２０は膨らんで元の大きさに復帰しそれに伴い羽根１９は連結ポイントＱを支点として本体１８側から遠ざかる方向に動く。
【００２４】
このポンプ１３による加圧状態と定常状態（すなわち圧力変動）が所定の周期で繰り返し行われることにより、羽根１９は連結ポイントＱを支点として揺動する。羽根１９の揺動によって推進力が攪拌子１７に生じ、攪拌子１７が液体Ｆ中で移動することで液体Ｆの攪拌が行われる。図５は、このときのマイクロデバイス１１内の様子を模式的に示したものである。
【００２５】
図５に示すように、液体Ｆ中に配置されている複数の攪拌子１７は羽根１９の揺動に伴い、図５に矢印で示す方向に移動する。移動方向は一方向のみではなくてさまざまな方向に移動することが可能となっているが、これは液体Ｆが攪拌子１７で攪拌されることにより液体Ｆ内で圧力ムラが生じたり、また他の攪拌子１７と衝突したりして攪拌子１７の移動方向が変更されることによる。羽根１９が揺動しつつ液体Ｆ中でさまざまな方向に移動することにより液体Ｆの攪拌が効率良く行われる。
また、図５に湾曲した矢印で示すように、攪拌子１７の推進方向の後方には、渦（カルマン渦）が発生し、この渦によって液体Ｆの攪拌が一層効率良く行われる。
【００２６】
この第１の実施形態に係る液体攪拌装置１０によれば以下の効果を奏する。
（１）ポンプ１３が駆動されて液体Ｆの圧力が周期的に変動されると、攪拌子１７の気体室２０が変形しそれに伴い羽根１９は連結ポイントＱを中心に揺動を繰り返す。この羽根１９の揺動によって攪拌子１７には推進力が生じ、攪拌子１７は液体Ｆ中で移動することができる。羽根１９が揺動しつつ液体Ｆ中でさまざまな方向に移動することにより液体Ｆの攪拌が効率良く行われる。
（２）攪拌子１７の推進方向の後方には、渦（カルマン渦）が発生し、この渦によって液体Ｆの攪拌が一層効率良く行われる。
（３）圧力変動の大きさ及び周期は、ポンプ１３のベローズの伸縮ストロークと単位時間当たりの伸縮頻度により調整可能である。従って、液体Ｆの種類に応じて攪拌強度を変更可能である。
（４）羽根１９の胴体部１９Ａと本体１８との間に設けられた気体室２０は、樹脂製の可撓性容器２２内に空気を密封した簡単な構造なので安価に製造可能である。
（５）攪拌子１７の大きさは１μｍ〜１×１０４μｍとミクロンサイズであるが、例えば、ＭＥＭＳ技術を活用して製作可能である。
【００２７】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る液体攪拌装置３０を図６〜図９に基づいて説明する。
この実施形態は、第１の実施形態における圧力変動装置に代えて振動付加装置を用いると共に、攪拌子１７の構造を変更したものであり、その他の構成は共通である。
従って、ここでは説明の便宜上、先の説明で用いた符号を一部共通して用い、共通する構成についてはその説明を省略し、変更した個所のみ説明を行う。
【００２８】
図６に示すように、液体攪拌装置３０は、液体Ｆが貯留されたマイクロデバイス３１と、マイクロデバイス３１内の液体Ｆに振動を付加する振動付加装置３２とを備えている。
振動付加装置３２は、その上にマイクロデバイス３１を載置する移動ステージ３３と、移動ステージ３３の下方に間隔を空けて設けられた固定ステージ３４と、固定ステージ３４と移動ステージ３３とを連結するリンク３５と、移動ステージ３３を振動するカム４１付きモータ３６と、移動ステージ３３を一方向（図６では右方向）に付勢するバネ３７とを備えている。モータ３６を回転させることにより移動ステージ３３を振動運動させ移動ステージ３３上のマイクロデバイス３１に所定の振動を付与する。
【００２９】
図７に示すように、マイクロデバイス３１は、ガラスチップ上に形成されたマイクロチャネル１４と、マイクロチャネル１４に貯留された液体Ｆと、液体Ｆ中に配置された攪拌子３８とを備えている。なお、マイクロチャネル１４の構造は第１の実施形態と同等であり説明を省略する。
【００３０】
図８に示すように、攪拌子３８は、本体３９と、本体３９に傾斜して取り付けられた複数の羽根４０とを備えている。
本体３９は、直方体状の形状を有し、樹脂材料により形成されている。
羽根４０は、短冊形状を有し、可撓性を有する樹脂製の板部材から形成されている。羽根４０は、本体３９の対向する長辺側の側面３９Ａに、側面３９Ａに対して傾斜して取り付けられ固定されている。本体３９の両側面３９Ａに取り付けられた羽根４０は、本体３９に対して対称な位置関係にある。
【００３１】
以上の構成を有する液体攪拌装置３０について、作用説明を行う。
先ず、モータ３６を回転させることによりモータ軸に固定されているカム４１が回転し、カム４１の回転に伴い移動ステージ３３はバネ３７による付勢方向と反対方向（図６では左方向）に移動する。更にモータ３６が回転しカム４１の外周ポイントＲ（モータ軸から最も離れた位置）を過ぎると、移動ステージ３３はバネ３７による付勢方向（図６では右方向）に移動する。この場合には、モータ３６の１回転により移動ステージ３３は左右方向に２往復し、所定の大きさ（振幅）と周期（振動数）で振動する。なお、振動の大きさ及び周期は調整可能となっている。
【００３２】
移動ステージ３３上のマイクロデバイス３１に所定の振動が付与されることにより、マイクロデバイス３１内の液体Ｆは左右方向に振動する。この振動に伴い液体Ｆ中の攪拌子３８の羽根４０は、図９（ａ）に示すように、羽根４０自体の可撓性のため本体３９側に近づく方向に撓んだり、図９（ｂ）に示すように、本体３９側から遠ざかる方向に撓んだりして揺動する。
この羽根４０の揺動によって推進力が攪拌子３８に生じ、攪拌子３８は液体Ｆ中で移動することで液体Ｆの攪拌が行われる。
その他の作用効果については、第１の実施形態と同様であり説明を省略する。
【００３３】
この第２の実施形態に係る液体攪拌装置３０によれば以下の効果を奏する。なお、第１の実施形態における（２）、（５）の効果は同等であり、それ以外の効果を記載する。
（６）モータ３６の回転に伴い移動ステージ３３が振動すると、この振動は液体Ｆに伝達されて攪拌子３８の羽根４０は、本体３９方向への撓みによる揺動を繰り返す。羽根４０の揺動によって攪拌子３８には推進力が生じ、攪拌子３８は液体Ｆ中で移動することができる。羽根４０が揺動しつつ液体Ｆ中でさまざまな方向に移動することにより液体Ｆの攪拌が効率良く行われる。
（７）振動付加装置３２によって付加される振動の大きさ（振幅）及び周期（振動数）は調整可能なので、液体Ｆの種類に応じて攪拌強度を変更可能である。
（８）攪拌子３８には気体室及びマイクロヒンジが設けられていないので、第１の実施形態の攪拌子１７と比較して構成が簡単である。
【００３４】
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更しても良い。
○  第１の実施形態においては、攪拌子１７において羽根１９と気体室２０とを固着させるとして説明したが、固着させる代わりに羽根１９と本体１８との間に羽根１９を本体１８側に付勢するバネを配設してもよい。バネによって、羽根１９は気体室２０の挙動（縮んだり膨らんだり）に追随して移動可能である。
○  第２の実施形態において、攪拌子３８が第１の実施形態における攪拌子１７と同等の構成を有するものであっても良い。この場合には、羽根と本体との間に気体室が設けられた構成なので、付加された振動に応じて羽根を確実に揺動させることができる。
○  第１の実施形態においては、気体室２０に空気を密封するとして説明したが、空気に代えて不活性ガスを密封しても良い。
○  第１及び第２の実施形態においては、攪拌子１７、３８の羽根１９、４０は、本体１８、３９に対して傾斜して取り付けられているとして説明したが、羽根が本体に対して垂直に取り付けられていても構わない。
○  第１の実施形態においては、ポンプ１３によって液体Ｆの圧力を加圧変動させるとして説明したが、加圧せずに減圧変動させても構わない。
【符号の説明】
【００３５】
１０、３０  液体攪拌装置
１１、３１  マイクロデバイス
１３  ポンプ
１４  マイクロチャネル
１７、３８  攪拌子
１８、３９  本体
１８Ａ、３９Ａ  側面
１９、４０  羽根
２０  気体室
３２  振動付加装置
Ｆ  液体
【図１】
2013022572.tif 000003
【図２】
2013022572.tif 000004
【図３】
2013022572.tif 000005
【図４】
2013022572.tif 000006
【図５】
2013022572.tif 000007
【図６】
2013022572.tif 000008
【図７】
2013022572.tif 000009
【図８】
2013022572.tif 000010
【図９】
2013022572.tif 000011