(57)【要約】【課題】マイクロ流路チップに統合可能な、物質輸送量の正確なダイアフラムポンプを提供すること。【解決手段】基板層と、基板層の上に位置されるダイアフラム層と、ダイアフラム層の上に位置する天板層と、基板層と、ダイアフラム層との間に位置するポンプ室とを備え、基板層は、ポンプ室と接続され、ポンプ室に液体を導入するための導入流路と、ポンプ室と接続され、ポンプ室から液体を排出するための排出流路とを有し、ダイアフラム層は、上面と基板層の表面と固定される下面とを有する固定部と、ポンプ層と、固定部及びポンプ層の間に位置し、固定部及びポンプ層を接続する変形部とを有し、天板層は、固定部の上面と固定されるフレームと、上面とポンプ層の上面と固定される下面とを有する天板と、フレーム及び天板の間に位置し、フレーム及び天板を接続するばねとを有する。【選択図】図１Ｃ
2017057719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板層と、
前記基板層の上に位置されるダイアフラム層と、
前記ダイアフラム層の上に位置する天板層と、
前記基板層と、前記ダイアフラム層との間に位置するポンプ室とを備え、
前記基板層は、
前記ポンプ室と接続され、前記ポンプ室に液体を導入するための導入流路と、
前記ポンプ室と接続され、前記ポンプ室から液体を排出するための排出流路とを有し、
前記ダイアフラム層は、
上面と前記基板層の表面と固定される下面とを有する固定部と、
ポンプ層と、
前記固定部及び前記ポンプ層の間に位置し、前記固定部及び前記ポンプ層を接続する変形部とを有し、
前記天板層は、
前記固定部の上面と固定されるフレームと、
上面と前記ポンプ層の上面と固定される下面とを有する天板と、
前記フレーム及び前記天板の間に位置し、前記フレーム及び前記天板を接続するばねとを有し、
前記ポンプ室は、前記ポンプ層の下面と、前記変形部と、前記基板層の一部とで囲まれており、
前記天板に、上面から下面に向かった力が働いたときに、前記ポンプ層が前記基板層に接する向きに移動することにより、前記変形部が変形して、前記ポンプ室の体積が小さくなることにより、前記ポンプ室が圧縮される、
ダイアフラムポンプ。
【請求項２】
基板と、基板表面にドーム状のダイアフラムの傾斜部が固定されることで形成されるチャンバーを有し、
チャンバーの内面の基板またはダイアフラムの表面の一部には一つ以上の孔が形成されており、
孔はチャンバーの外に通じる流路と接続され、
チャンバーの上部のダイアフラム表面に固定された天板を有し、
天板を基板面に向かい移動させ、ダイアフラムの天板の固定縁部とダイアフラムの基板表面固定縁部の間のダイアフラムの傾斜部においてダイアフラムの天板の固定縁部とダイアフラムの基板表面固定縁部から双方の固定縁部に向かって、傾斜部の表面に平行に圧縮力が働くことにより、傾斜部の厚みが、チャンバー内部に向かい、傾斜部の表面の法線方向へ増大して、傾斜部と基板が接触するダイアフラムポンプ。
【請求項３】
前記ダイアフラムの傾斜部がエラストマーである、
請求項２に記載のダイアフラムポンプ。
【請求項４】
前記チャンバーの外の周囲に、前記基板に固定されたフレームを有し、フレームと前記ダイアフラムの前記天板が弾性体によって接続されており、天板を基板に向かい移動させると、弾性体に、天板を基板から離す方向の弾性力が発生する、請求項２に記載のダイアフラムポンプ。
【請求項５】
前記フレームと、フレームと前記ダイアフラムに接続された前記弾性体、および前記天板が、同一の材料で構成された非エラストマー系ポリマーまたは金属である、
請求項４に記載のダイアフラムポンプ。
【請求項６】
前記フレームおよび前記ダイアフラムに固定された前記天板を装置に当接させたときに、
装置は、押し棒を備え、押し棒を装置から押し出す動作または引き込む動作をする装置であり、
押し棒が天板上に配置されるよう天板に当接しており、
また、押し棒を引いた状態で、天板が装置の押し棒以外の部分に当接して、天板が前記基板に向かい押され、かつダイアフラムが板から離れており、
押し棒を装置から押し出すと、天板が前記基板へ向けて移動し、
または、押し棒を基板から引き込むと、天板が装置の押し棒以外の部分に当接するまで、基板から離れる、請求項４に記載のダイアフラムポンプ。
【請求項７】
前記チャンバーの内面に形成された孔を二つ以上有し、
孔の少なくとも一つは、
チャンバーへ輸送物を流入させるときに弁が開く第一の逆止弁と接続され、
第一の逆止弁は、チャンバーの外に通じる流路と接続され、
孔の少なくとも一つは、
室へ輸送物を流出させるときに弁が開く第二の逆止弁と接続され、
さらに第二の逆止弁は、チャンバーの外に通じる流路と接続される、
請求項２に記載のダイアフラムポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はダイアフラムポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、ドーム状にしたダイアフラムポンプが開示されている。特許文献１のダイアフラムポンプは、ダイアフラムを柔らかいエラストマーで構成することで、ダイアフラムを変形するための弾性エネルギーを小さくし、かつ大きく変形させることによりポンプ室の容積を大きくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４９３９５４１号公報
【特許文献２】国際公開第２０１３／０６２３１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、小さい基板面積のポンプを、製造容易な簡単な構成の外部装置で動作させることが可能で、かつポンプ室内の空間に輸送物が滞留する場所をなくし、気泡の残留を防ぐことで、従来よりも正確な材料輸送を行うことを可能とした小型ダイアフラムポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のダイアフラムポンプは、
基板層と、
前記基板層の上に位置されるダイアフラム層と、
前記ダイアフラム層の上に位置する天板層と、
前記基板層と、前記ダイアフラム層との間に位置するポンプ室とを備え、
前記基板層は、
前記ポンプ室と接続され、前記ポンプ室に液体を導入するための導入流路と、
前記ポンプ室と接続され、前記ポンプ室から液体を排出するための排出流路とを有し、
前記ダイアフラム層は、
上面と前記基板層の表面と固定される下面とを有する固定部と、
前記ポンプ層と、
前記固定部及び前記ポンプ層の間に位置し、前記固定部及び前記ポンプ層を接続する変形部とを有し、
前記天板層は、
前記固定部の上面と固定されるフレームと、
上面と前記ポンプ層の上面と固定される下面とを有する天板と、
前記フレーム及び前記天板の間に位置し、前記フレーム及び前記天板を接続するばねとを有し、
前記ポンプ室は、前記ポンプ層の下面と、前記変形部と、前記基板層の一部とで囲まれており、
前記天板に、上面から下面に向かった力が働いたときに、前記ポンプ層が前記基板層に接する向きに移動することにより、前記変形部が変形して、前記ポンプ室の体積が小さくなることにより、前記ポンプ室が圧縮される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のダイアフラムポンプによれば、ポンプ室の圧縮時に生じる正圧への対抗力がダイアフラムに生じ、この対抗力以下の正圧において前記変形部が反転せず、輸送物をポンプ室内へ残留させることなく排出することができる。このため、ポンプ室の圧縮において、例えばポンプ室内の輸送物が粘性流体である場合や、ポンプ室外との圧力差が生じている場合でも、ダイアフラムが反転せず変形して動作が正確になり、輸送ばらつきを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】実施の形態１におけるダイアフラムポンプ１００を示す断面図。
【図１Ｂ】実施の形態１におけるダイアフラムポンプ１００を示す断面図。
【図１Ｃ】実施の形態１におけるダイアフラムポンプ１００を示す断面図。
【図２Ａ】実施の形態１におけるダイアフラムポンプ１００の動作を示す断面図。
【図２Ｂ】実施の形態１におけるダイアフラムポンプ１００の動作を示す断面図。
【図２Ｃ】実施の形態１におけるダイアフラムポンプ１００の動作を示す断面図。
【図３Ａ】参考例におけるダイアフラムポンプ１００の動作を示す断面図。
【図３Ｂ】参考例におけるダイアフラムポンプ１００の動作を示す断面図。
【図４Ａ】制御装置の断面図。
【図４Ｂ】制御装置の断面図。
【図５Ａ】実施例１による天板層の上面図。
【図５Ｂ】実施例１による天板層の上面図。
【図６】実施例によるダイアフラムポンプ１００を含む流路図。
【図７Ａ】実施例によるダイアフラムポンプの上面図。
【図７Ｂ】実施例によるダイアフラムポンプの上面図。
【図７Ｃ】実施例によるダイアフラムポンプの断面図。
【図７Ｄ】実施例によるダイアフラムポンプの断面図。
【図８Ａ】実施例によるダイアフラムポンプの上面図。
【図８Ｂ】実施例によるダイアフラムポンプの上面図。
【図８Ｃ】実施例によるダイアフラムポンプの断面図。
【図８Ｄ】実施例によるダイアフラムポンプの断面図。
【図９Ａ】実施例によるダイアフラムポンプのポンプ室４を示す図。
【図９Ｂ】比較例によるダイアフラムポンプのポンプ室４を示す図。
【図１０Ａ】実施例２によるダイアフラムポンプを動作したときの様子を示す図。
【図１０Ｂ】実施例２によるダイアフラムポンプを動作したときの様子を示す図。
【図１１Ａ】実施例によるダイアフラムポンプのポンプ室に液体を導入されたときを示す図。
【図１１Ｂ】実施例によるダイアフラムポンプのポンプ室に液体を導入されたときを示す図。
【図１２Ａ】逆止弁の上面図。
【図１２Ｂ】逆止弁の断面図。
【図１３Ａ】比較例によるダイアフラムの上面図。
【図１３Ｂ】比較例によるダイアフラムの断面図。
【図１３Ｃ】比較例によるダイアフラムの断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明を説明する前に、より詳細な技術背景を説明する。
【０００９】
μＴＡＳ（ｍｉｃｒｏ  ｔｏｔａｌ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｓｙｓｔｅｍ）デバイスに代表される、液体又は気体などの物質を輸送し、輸送した物質分析する装置がある。μＴＡＳデバイスは、幅０．１ｍｍ程度以下の微細流路により流体を流通させ、μＬオーダーの薬液や検体が、使用される。微細流路中を通過する輸送物は、より大きなｍｍサイズの流路幅の環境と比べて粘性的な性質を示し、このため、微細流路ならではの以下の二つの要因が、ポンプの輸送量の安定性に影響する。
【００１０】
要因の一つ目は、流路が微細であるために、流路内の圧力抵抗が一般に大きい点である。典型的な例として、μＴＡＳデバイスでは数センチ角の小型チップ内の短い流路であっても、０．１気圧以上の圧力抵抗を受けながら物質輸送を行うことが多い。このため、機械式のポンプを送液手段として利用する場合、ポンプの送液レートが圧力変化で変動しにくい機構であるほうが制御しやすい。また、要因の二つ目は、より流路幅の大きい環境と比べて、流路を流れる輸送物の体積あたりの流路に接触している表面積、すなわち比表面積が大きいため、輸送物が壁面と接触する確率が大きく壁面に付着しやすくなることに加え、粘性的であるために流体の流れに乱れが生じにくい。流路形状に淀みが生じ易い部分がある場合、淀みに到達した輸送物は排出されにくいことから、流れの留まり易い流路の壁面に気泡が付着すると、いつまでも排出されず流路内に残留しやすく、送液量がばらつきやすい点である。
【００１１】
すなわち、流路内の気泡の残留量がチップ毎または毎回の分析毎に異なって送液量が変化したり、また、ポンプを動作させたときの流路内圧の変動の影響を受けて、気泡が圧縮または膨張されて、チップの送液量がばらつく。このためμＴＡＳデバイスでは安定した物質輸送レートが確保しにくい。特に、ポンプ室内の空間は、容量の大きい液だめとなっており、大きな気泡が残りうる。この場合、ポンプ自体の輸送レートが、泡が存在しない場合よりも不安定もしくは、設計容量からずれてしまう。
【００１２】
また、装置を小型にするほど、比表面積および流路内圧力抵抗が大きくなるため、残留する気泡の影響を受け易くなる。このため、従来のμＴＡＳデバイスでは、安定した物質輸送の制御を精密に行うために、流路内の圧力や、液面の位置をモニターし、ポンプの動作を精密に制御するか、複雑な送液制御を必要としないよう分析などの用途を設計する必要があった。
【００１３】
μＴＡＳ装置で利用されるポンプについて、より詳しく説明する。μＴＡＳの各部品要素、例えばリアクタ、検出部、バルブ、ポンプなどの容積は１ｍｍ３程度（＝１μＬ程度）であり、各部品の接続部による無駄を省くために全ての部品を一枚の板状のチップに集積化して製造する方法が提案されている。この場合、各部品の製造容易性を担保することを踏まえると設置面積を小さくしたとしても、典型的には数ｍｍ程度である。このため、ポンプ室などの形状は、例えば３ｍｍ×３ｍｍ×０．１ｍｍなどの、平たくつぶれた形状となる。このような狭い領域に、従来の大型のポンプと同様な複雑な構造を加工することや、機械動作に必要な高精度な加工を施すことは、コスト高につながってしまうため、現実的でない。そこで、単純な構造で小型μＴＡＳチップに搭載可能なポンプとして、ダイアフラム式のポンプが、研究開発機関などから多数提案されている。ダイアフラムポンプは、ポンプ室の隔壁が上下動するだけで動作し、シリンダー式の場合問題となる摩擦による入力ロスや隙間からの液漏れが生じにくい構造である点から、加工精度がポンプの仕事効率に比較的影響しにくいため、比較的実用的である。
【００１４】
しかしながら、前記従来の構成では、ダイアフラムをドーム状にすることで、ダイアフラムの面積が底面よりも大きくなっているため、ダイアフラムを外部からつぶす動作、すなわちポンプ室の圧縮動作時にダイアフラムが反転し、反転した部分に隙間ができてしまう。液体や気泡などがこの隙間に残留してしまうと、いつまでも排出されず、残留量がチップによって異なると、送液量のチップバラつきの原因になってしまう。また、気体が残留する場合は、ポンプと接続された流路の内圧の影響を受けて気体の体積が変化し、輸送が不安定になってしまう。または、流路の圧力の変動によって、ダイアフラムの反転する形状が様々に変化する場合、ポンプの圧縮動作毎の圧縮量が変動してしまう。このように、前記従来のポンプは、泡などの残留物がポンプ室から排除できず、残留量がばらつくために、輸送量の信頼性が大きく損なわれてしまう。
【００１５】
これまでに、上記課題の解決案として、ダイアフラムを柔らかいエラストマーで構成し、ドライブチャンバに気体や液体を充填し、ダイアフラムが反転しないよう、外部から与圧してダイアフラムを隙間なく押しつぶす方法が公知である。しかし、この方法は、不定形の充填物をドライブチャンバに漏れなく輸送するための外部装置との接続が必要であり、煩雑である。また、μＴＡＳの流路の流れを制御する制御装置側に充填物を輸送するための機械動作部が、制御装置側に別途必要となり、装置の構成が複雑で大規模になってしまう。
【００１６】
また、別の解決案として、反転後の隙間の原因となるダイアフラムのたわみ代を小さくするために、ダイアフラムのドーム状の膨らみを無くし、表面積を大きくしない構成がある。この構成例は特許文献１にも示されており、特許文献１の権利者により試作もされているが、所定のポンプ容量を得るための設置面積が大きくなるため、チップの寸法が大きくなってしまい、小型化チップの利点を損なってしまう。
【００１７】
以上の理由により、従来のダイアフラムポンプは、μＴＡＳのチップ上に搭載する場合、ポンプ室内の空間に気泡や液体が残留して排出量が減少し、輸送が不正確である課題がある。このため、比較的不正確な輸送でも目的が完遂できるよう、試薬の混合比などにばらつきがあっても問題なく分析工程が進むようなアッセイを工夫するなどの対策が必要があったが、このようなアッセイ開発は一般に容易ではなく、そのため、産業における利用可能性が大きく制限されてきた。また、輸送量のばらつきは、定量分析をする上で分析精度確保の障害になっており、薬液および検体の正確な輸送操作が可能なポンプの実現が望まれている。
【００１８】
（実施形態１）
図１Ａ〜図１Ｃに、実施の形態におけるダイアフラムポンプ１００を示す。ダイアフラムポンプ１００は、天板層３と、ダイアフラム層１と、基板層２と、ばね３３ポンプ室４とを備える。ダイアフラムポンプ１００は、ダイアフラム層１の形状の変化により、ポンプ室４の体積の増減し、ポンプとして機能する。
【００１９】
ダイアフラム層１の材料の例は、０．４以上のポアソン比を有するゴムである。ダイアフラム層１の材料の望ましい例は、約０．５のポアソン比を有するエラストマーである。このエラストマーの例は、シリコーンゴムである。より具体的には、ジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）である。
【００２０】
図１Ａは、ダイアフラムポンプ１００の上面図を示す。天板層３はダイアフラム層１の上に位置する。図１Ａに示す天板層３は、天板３１と、フレーム３２と、天板３１及びフレーム３２を接続するばね３３とを有する。天板３１の形状の一例は、上面から見たとき、円である。ここでの円は、真円または楕円を含む。
【００２１】
図１Ｂは、天板層３を除くダイアフラムポンプ１００の上面図を示す。ダイアフラム層１は、変形部１１と、固定部１２、ポンプ層１３とを有する。図１Ｂにおいて、中心から外側に向かって、順に、ポンプ層１３、変形部１１、及び固定部１２が位置する。ダイアフラム層１の例は、一体の層である。ポンプ層１３、変形部１１、及び固定部１２の形状の一例は、上面から見たとき、円である。ここでの円は、真円または楕円を含む。
【００２２】
図１Ｃは、図１Ａの切断線Ａ−Ａにおける断面図である。天板層３、ダイアフラム層１、及び基板層２は、上から下に向かって、この順に位置する。ダイアフラム層１及び基板層２の間に、ポンプ室４が位置する。
【００２３】
ダイアフラム層１の端部（固定部１２の下面）及び基板層２の端部は、第２の接着層７により固定される。図１Ｃに示す固定部１２の下面全体は、基板層２の表面と第２の接着層７を介して接している。
【００２４】
ダイアフラム層１及び天板層３は、第１の接着層５により固定される。より具体的には、第１の接着層５により、ダイアフラム層１の固定部１２及びフレーム３２の間が固定される。また、第１の接着層５により、ポンプ層１３及び天板３１との間も固定される。
【００２５】
ダイアフラム層１の変形部１１の上面及び下面は、天板層３及び基板層２に対して固定されない。後述するように、天板３１に加わる力に応じたポンプ層１３の上下の位置の移動によって、変形部１１は変形する。
【００２６】
図１Ｃにおいて、ダイアフラム層１及び基板層２の間の空間がポンプ室４に相当する。つまり、ポンプ室４は、ダイアフラム層１における変形部１１、ポンプ層１３、及び基板層２で囲まれる空間である。
【００２７】
基板層２は、第１の流路２１と、第２の流路２２と、第３の流路２３と、第４の流路２４とを有する。第１の流路２１及び第４の流路２４は、基板層２の面内方向に液体が流れるための流路である。第２の流路２２及び第３の流路２３は、基板層２の面直方向に液体が流れるための流路である。
【００２８】
第１の流路２１、第２の流路２２、ポンプ室４、第３の流路２３、及び第４の流路２４の順に、連通している。第１の流路２１に導入された液体は、第２の流路２２、ポンプ室４、第３の流路２３、及び第４の流路２４を通過して、排出される。第１の流路２１の端部及び第４の流路２４は、液体の流れる方向に対応する逆止弁を有する。
【００２９】
天板３１を下向きに押す力により、変形部１１が変形して、ポンプ層１３の位置を押し下がる。その結果、ポンプ層１３の下面と基板層２の表面と接し、ポンプ室４の空間がなくなる。ポンプ室４に位置する液体は、第３の流路２３及び第４の流路２４を介して排出できる。
【００３０】
また、ポンプ層１３の下面と基板層２の表面と接した状態から、天板３１に加わる力を解放した場合、ばね３３により天板３１を初期の位置に戻す力が働き、天板３１は初期の位置に戻る。ここで、初期の位置とは、天板３１に力が加わる前の位置を意味する。
【００３１】
天板３１の動きと連動して、ポンプ層１３及び変形部１１も初期の位置に戻る。つまり、ポンプ層１３は、基板層２と接触した位置から上に動く。その結果、ポンプ室４の体積が大きくなり、かつポンプ室４中の圧力が上がる。これにより、例えば、第１の流路２１及び第２の流路２２を介して、ポンプ室４に液体を導入することもできる。
【００３２】
つまり、天板３１に加わる力に応じて、変形部１１が変形する。その結果、ポンプ室４は圧縮又は膨張する。
【００３３】
図２Ａ〜Ｃを用いて、より具体的に変形部１１の動きを説明する。図２Ａ〜Ｃは、変形部１１を拡大した図である。図２Ａ〜Ｃにおいて、簡略化のため、第１の接着層５及び第２の接着層７の記載は省略している。
【００３４】
図２Ａは、天板３１に力が加わる前の状態を示す。天板３１は、ばね３３によって保持されており、天板３１に外力が加わっていない時、天板３１にからダイアフラム層１（ポンプ層１３）に伝わる力は０である（天板３１への重力に基づき加わる力を除く）。変形部１１にも力が加わっていないため、変形部１１は基板層２の表面から離れている。
【００３５】
図２Ｂは、天板３１に下向きの力が加わった状態を示す。天板３１に加わる力に応じて、ポンプ層１３に下向きの力が加わる。理解を容易にするために、ポンプ層１３が押し下げられることにより、変形部１１に加わる力は、面内方向に働く力１１１及び面直方向に働く力１１２に分けて考える。
【００３６】
面内方向に働く力１１１により、ダイアフラム層１の下面の面積が基板層２の表面の面積と同じになるように、変形部１１は面内方向に圧縮される。面直方向に働く力１１２により、変形部１１も下向きに接触する位置まで、変形部１１は膨張する。また、変形部１１が下向きに移動することにより、ポンプ室４の内部に貯留されている液体が排出される。
【００３７】
図２Ｃは、天板３１に加わった力によりポンプ層１３及び変形部１１が基板層２の表面と接している状態を示す。ポンプ層１３及び変形部１１の下面全体が、基板層２の表面と接することにより、ポンプ室４の内部に貯留されているほとんど全ての液体を排出することができ、ポンプ室４に液体が残留しない。これにより、ダイアフラムポンプ１００のポンプの動作に応じて、常に、排出される液体の量をおおよそ一定にすることができる。
【００３８】
以上のように、実施形態１のダイアフラムポンプ１００は、ポンプ動作においてポンプ室４内に液体がほとんど残留しないため、ポンプの送液動作による輸送物の入出量ばらつきが少ない。
【００３９】
ポンプ室４の圧縮時にダイアフラムが基板層２に達するようポンプ室４を構成することにより、ポンプ室４の圧縮時にポンプ室内をつぶし切り、内容物を全て排出することが可能なポンプの作成が容易になる。
【００４０】
このため、ポンプ室４内に水などの粘性的な輸送物または液体の導入時に液体と一緒に噛み込んだ気泡が残留して排出されないことを防ぎ、正確な物質輸送が可能になる。圧縮動作時のダイアフラム層１の動きがばらつかずに安定しているため、送液状態のモニター系が無くても送液の正確性が担保され易いため、外部装置を単純化でき、小型化にも寄与できる。
【００４１】
（本発明の知見）
本発明者らは、図１Ａ〜Ｃに示すダイアフラムポンプ１００の構成を有していても、図２Ａ〜Ｃに示すように、ポンプ室４に液体が残留しない場合があることを見出した。図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。
【００４２】
図３Ａ及び図３Ｂは、実施形態１の変形部１１に相当する変形層１０１０を有する参考例のダイアフラムポンプの拡大図である。図３Ａ及び３Ｂに示すダイアフラムポンプは、変形部１１以外は、実施形態１にダイアフラムポンプ１００と同様の構成を有する。
【００４３】
図３Ａは、天板３１に力が加わる前の状態のダイアフラムポンプを示す。図３Ｂは、図３Ａの状態から天板３１に下向きに力が加わったときのダイアフラムポンプを示す。
【００４４】
図２Ａ〜Ｃと同様に、変形層１０１０に、下向きに移動する力が加わる。このとき、変形層１０１０の下面の全ては、基板層２の表面と接触せず、変形層１０１０は上向きに凸の形状になってしまう。その結果、ポンプ室４に空間２０が残る。空間２０が残ることにより液体が空間２０に残る。つまり、ダイアフラムポンプにより排出動作をした場合に、ポンプ室４内の輸送物が全て排出されない可能性がある。
【００４５】
つまり、変形部１１が所定の条件を満たすことによって、よりポンプの送液動作による輸送物の入出量ばらつきが少ないダイアフラムポンプが提供される。
ばね３３ばね３３ばね３３ばね３３  変形部１１の望ましい構成を説明する。図１Ｃに示す断面図において、変形部１１の厚さをｈとし、ポンプ室４の高さをＨとする。図１Ｂに示す上面図において、変形部１１の外周の半径をＲ２とし、変形部１１の内周の半径をＲ１とする。また、Ｒ２−Ｒ１を、変形部１１の長さＬとする。
【００４６】
まず、変形部１１が反転せずに歪むための目安となる条件式を示す。目安を得る上で計算を簡単にするために、ポンプ室４の圧縮時に変形部１１がポンプ室４の内圧によって撓むときの変形量を、両端固定梁の撓み相当に置き換えて近似する。
【００４７】
ここで、梁の長さをＬ、梁の厚さをｈと仮定し直す。また、梁の幅をｗとする。ｗは半径（Ｒ２＋Ｒ１）／２の円周とする。変形部の弾性係数をＥとする。
【００４８】
梁の両端にかかる力（図２Ｂの変形部１１を圧縮する力１１１）をＰとする。Ｐは天板３１が梁の両端を直接押す力Ｐ‘と、ポンプ室４の内圧の増大により梁が撓むことによって梁の両端が引っ張られる力ＰＦとの合計からなり、Ｐ＝Ｐ‘＋ＰＦで表される。ＰＦは、梁の長さＬにくらべて梁の圧縮量が小さいとすると、梁にかかる等加重ｑの代表荷重をＦ（＝ｑＬ）、梁の中央（Ｌ／２）の撓み量をｖＣとして、ＰＦ〜２Ｆｖｃ／Ｌと近似できる。また、梁のたわみの公式ｖｃ＝ｑＬ４／３２４ＥＩに、梁の断面の２次モーメントＩ＝ｗｈ３／１２を代入して、ＰＦ〜Ｆ２Ｌ２／１６Ｅｗｈ３である。
【００４９】
変形部１１は、力Ｐが大きすぎるとその荷重に耐え切れず反転を生じ、座屈してしまう（図３Ｂを参照）。このときのＰの大きさを坐屈加重Ｐｃとすると、Ｐｃ＝Ｐ‘＋ＰＦであり、ポンプ室４の内圧増大を受けて変形部１１が撓み、変形部１１の渕がＰＦの力を受ける分、Ｐｃよりも小さなＰ’で坐屈する。このため、ポンプと接続する流路から受ける力Ｐ‘に対し、変形部が反転しないようＰｃを十分大きく取ることが望ましい。
【００５０】
次に、坐屈荷重Ｐｃを見積もる。弾性体の抵抗モーメントＭ＝−ＥＩ（ｄ２ｖ／ｄｘ２）と、Ｐの曲げモーメントＭ＝Ｐｖから、ｖの微分方程式は（ｄ２ｖ／ｄｘ２）＋Ｐｖ／ＥＩ＝０である。この微分方程式の一般解は、α＝（Ｐ／ＥＩ）０．５として、ｖ＝Ａｃｏｓ（αｘ）＋Ｂｓｉｎ（αｘ）である。ｘ＝０及びｖ＝０の条件では、Ａ＝０であるため、ｖ＝Ｂｓｉｎ（αｘ）である。また、この式がｘ＝Ｌ、ｖ＝０のとき有意であるためには、ｓｉｎ（αＬ）＝０でなければならない。よって、（Ｐ／ＥＩ）０．５Ｌ＝ｎπである。ここで、ダイアフラムの変形部１１は、図４Ｂ（ｂ）のように変形し、節を持たないので、ｎ＝１である。坐屈荷重ＰＣの近似式は、数１で表される。
【００５１】
【数１】
2017057719.tif 000003
【００５２】
（数１）に示す坐屈荷重ＰＣが大きいことにより、図３Ｂに示すように坐屈せずに、図２Ａ〜Ｃに示すように変形部１１が変形する。坐屈荷重ＰＣは、十分大きな正の値をとる変形部１１を有することが望ましい。
【００５３】
図４Ａ及びＢに、ポンプ装置１０１の断面図を示す。ポンプ装置１０１は、ダイアフラムポンプ１００と、制御装置１８とを備える。制御装置１８はダイアフラムポンプ１００の上に位置する。具体的には、制御装置１８は、ダイアフラムポンプ１００の天板３１の上面及びフレーム３２の上面と接するように配置される。
【００５４】
制御装置１８は、制御部と、本体部１４と、形状記憶合金線１５と、コイルばね１６と、棒１７とを備える。本体部１４は溝を有し、形状記憶合金線１５、コイルばね１６、及び棒１７は本体部１４の溝に位置する。形状記憶合金線１５の一端及びコイルばね１６の一端は、溝の底面と接続される。形状記憶合金線１５の他端及びコイルばね１６の他端は、棒１７と接続される。
【００５５】
制御部は形状記憶合金線１５の収縮又は弛緩を制御する。例えば、形状記憶合金線１５の材料が温度に依存して収縮又は弛緩する場合には、制御部はヒーター及び電源を有する。制御部は、電源のＯＮ及びＯＦＦによりヒーターの温度を制御することで、形状記憶合金線１５の収縮又は弛緩を制御する。
【００５６】
本体部１４の溝はダイアフラムポンプ１００の天板３１の上に位置する。形状記憶合金線１５の剛性によりコイルばね１６の自然長よりも短い状態で、棒１７は固定される。つまり、初期位置の棒１７には、コイルばね１６により下向きの力が加わっているが、形状記憶合金線１５の剛性により位置が固定される。
【００５７】
形状記憶合金線１５の収縮により、棒１７は本体部１４の溝の内部に位置する。形状記憶合金線１５が弛緩により、棒１７はコイルばね１６の弾性力により制御装置１８の溝から突き出る。棒１７が天板３１を下向きに押すことで、天板３１を介しポンプ室４を圧縮または膨張させる。
【００５８】
コイルばね１６の長さと比較して、棒１７の移動量を小さくすることで、コイルばね１６の弾性力の変化量が微小になり、天板３に常にほぼ同じ弾性力を作用させて、天板３１を押すことが出来る。
【００５９】
また、ばね３３により、天板３１の上面がフレーム３２の上面よりも初期位置を上に位置させても良い。これにより、制御装置１８をダイアフラムポンプ１００の天板３１及びフレーム３２に接するように配置することで、天板３１は初期位置よりも下に動くことになる。その結果、棒１７により天板３１が押し下げられた時に、ばね３３は、ポンプ層１３が基板層２の表面に接するまでの距離、及び天板３１の上面の初期位置からフレーム３２の上面までの距離の分の力を受けるため、天板３１がフレーム３２の上面の位置まで戻る力が大きくなる。ばね３３よって、ポンプ室４内に粘性流体が存在する場合でも、粘性抵抗よりも大きな復元力によって短時間でポンプ室４を膨張させることが可能になる。
【００６０】
なお、棒１７と天板３１とが接触する位置は加工ばらつきなどの要因によって、ダイアフラムポンプ１００の上に制御装置１８に配置する度にずれる可能性がある。したがって、天板３１が基板層２に対して、できるだけ平行に上下できるように、ばね３３図２Ａに示すように、３個以上のばね３３により、天板３１及びフレーム３２を接続し、天板３１を支持することが望ましい。
【００６１】
（実験例）
実験例により、本発明はより詳細に説明される。
【００６２】
（実施例１）
（実施例１のダイアフラムポンプ）
図１Ａ〜Ｃに示すように、実施例１によるダイアフラムポンプを作製した。ただし、天板層３は、図５Ａ及びＢに示すフレーム１０およびばね３３の形状にした。図５Ａは、天板層３の上面図である。図５Ａに示すように、２つのばね３３ａ及び３３ｂにより、天板３１を４点で支持した。また、ばね３３ａ及び３３ｂは、それぞれフレーム３２に接続された図５Ｂは、図５Ａの切断線Ｂ−Ｂにおける断面図である。図５Ｂは、天板層３および第１の接着層５の断面図である。
【００６３】
図１Ｃに示した天板層３と同様に、ばね３３を除く天板層３の下面は、第１の接着層５によって、ダイアフラム層１に固定された。表１に、数１に基づいて設計したダイアルフラムポンプを示す。表１に、実施例１によるダイアフラムポンプ（番号１）を示す。実施例１及び２によるダイアフラムポンプの各パラメータは、数１に安全率が１．２を乗算した寸法を示した。
【００６４】
ダイアフラム層１の厚さは０．１２５ｍｍであり、ポンプ室４の高さＨは、０．１５ｍｍであった。
【００６５】
ダイアフラムポンプは制御装置１８に接続されると、天板３１が制御装置１８の下面に押されて０．０５ｍｍほど下がるため、棒１７のストロークによってＨ＝０．１ｍｍ〜０ｍｍの間で、天板３１が移動するように構成した。ダイアフラムポンプおよび制御装置によって、ポンプ室４を圧縮または膨張させるよう動作した。
【００６６】
天板層３は、アクリル板からＣＮＣ加工により一体成形した。また、ばね３３はアクリル板の加工形状を変更することによって任意の形に出来るため、任意の弾性力を設計した。
【００６７】
ダイアフラム層１は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を用い、前駆体ポリマーの射出成形により作成した。ＰＤＭＳのポアソン比は０．５、弾性係数は３ＭＰａであった。基板層２は、Ｓｉ−ＭＥＭＳ技術によりＳｉウェハをエッチングして溝を形成し、その上に溝に蓋をするようパイレックス（登録商標）ガラスを陽極酸化接合した。Ｓｉウェハの厚みは０．４ｍｍ、パイレックス（登録商標）ガラスの厚みは０．４ｍｍである。
【００６８】
第１の接着層５及び第２の接着層７として、厚さ０．０４ｍｍのシリコーン樹脂製接着剤をレーザー切断した接着シールを用いて、ダイアフラム層１、基板層２、及び天板層３の各層を接着した。天板３１の上面がフレーム１０の上面から突き出ている量は、０．０５ｍｍにした。また、ポンプ室４の高さＨは０．１５ｍｍであった。
【００６９】
制御装置１８をダイアフラムポンプ１００に接続し、天板３１の上面とフレーム１０の上面とを揃えた。これにより、表１の番号１の寸法で作製したダイアフラムポンプ１００は、天板３１を０．０５ｍｍ押し込んだ位置から、基板層２に達する０．１５ｍｍまで範囲でダイアフラムの変形が生じた。この場合、歪みゲージで測定したばね３３の弾性力は０．４Ｎから０．８Ｎであった。
【００７０】
図４Ａ及びＢに示す制御装置１８が用いられた。本体部の溝の開口は、直径が２．４ｍｍであり、２ｍｍの直径を有する棒１７が突き出ている。棒１７は、形状記憶合金線１５の収縮により制御装置１８内に引き込まれ、かつ、形状記憶合金線１５が伸張しているときには、弾性力が約１．１Ｎのコイルばね１６により制御装置１８の開口部から突き出る。押し棒１７がポンプの天板３１を押すことで、天板を介しダイアフラムを上下させる。コイルばね１６は長さ２．５ｃｍであり、棒１７の移動量０．１５ｍｍ程度では弾性力の変化は無視できるため常にほぼ１．１Ｎであり、天板３１を確実に押すことが出来る。
【００７１】
図６に、実施例によるダイアフラムポンプ１００を含む流路図を示す。ダイアフラムポンプ１００は、第１の流路及び第４の流路のそれぞれに逆止弁２１０を接続した。矢印の向きは、逆止弁２１０が開になる流れの方向を示す。
【００７２】
また、図１２Ａ〜Ｃに逆止弁２１０の構成を示す。逆止弁２１０は、基板２１１と、マイクロ導入流路２１２と、マイクロ排出流路２１３と、チャンバー２１４と、球体バルブ２１５とを備える。図１２Ａは、逆止弁２１０の上面図である。図１２Ｂは、図１２Ａにおける切断面Ｇ−Ｇにおける断面図である。
【００７３】
図１２Ｂにおいて、マイクロ導入流路２１２から液体が導入され、チャンバー２１４、及びマイクロ排出流路２１３を通過して、逆止弁２１０から排出される。マイクロ導入流路２１２からのチャンバー２１４に導入される液体の流れにより、球体バルブ２１５を上部に動かし、チャンバー２１４からマイクロ排出流路２１３に液体が移動する。マイクロ導入流路２１２からのチャンバー２１４がなくなり、チャンバー２１４から液体が排出されることにより、球体バルブ２１５を上部に動かす力がなくなり、チャンバー２１４とマイクロ排出流路２１３との間の流路は球体バルブ２１５により閉じられる。その結果、マイクロ排出流路２１３に移動した液体は、チャンバー２１４に戻ることなく、逆止弁２１０の外部に排出される。
【００７４】
逆止弁２１０は、弁体３２８以外はダイアフラムポンプを構成する層構造と共通の材料および構成であった。ダイアフラムポンプを構成する層と一体化しているため、ダイアフラムポンプの組立作業と同時に組み立てた。球体バルブ３２８は、ＳＵＳ３０４であった。
【００７５】
（実施例２）
（実施例２によるダイアフラムポンプ）
図７Ａ〜Ｄおよび図８Ａ〜Ｄに、実施例によるダイアフラムポンプの上面図および断面図を示す。図７Ｂおよび図８Ｂは、実施例によるダイアフラムポンプの上面図を示す。図７Ｂおよび図８Ｂは、ダイアフラムポンプの形状がわかりやすく示すために、天板層３を除いた上面図である。また、図７Ｃ、図７Ｄ、図８Ｃ、および図８Ｄは、ダイアフラムポンプの断面図を示している。図７Ｃは、図７Ａにおける切断面Ｃ−Ｃにおける断面図である。図７Ｄは、図７Ａにおける切断面Ｄ−Ｄにおける断面図である。図８Ｃは、図８Ａにおける切断面Ｅ−Ｅにおける断面図である。図８Ｄは、図８Ａにおける切断面Ｆ−Ｆにおける断面図である。
【００７６】
輸送物を流入する流路および流出する流路を、ポンプ室の端に対角上に配置した。粘性流の流れに沿う流路孔およびを結ぶ直線方向と異なる方向で流体が移動するポンプ室４内について、変形部１１は図１のように変形する。
【００７７】
この変形は、実施例１によるダイアフラムポンプ（表１の番号１）と、実施例２によるダイアフラムポンプ（表１の番号２）とほぼ同等に生じる。表１に、実施例２によるダイアフラムポンプ（番号２）の各パラメータを示す。基板層２以外は、実施例１によるダイアフラムポンプと同じ方法および材料で作製された。
【００７８】
ばね３３は天板３１を三点で支持しており、天板３１が制御装置１８の下面によって０．０５ｍｍポンプ室４を圧縮する方向に押し込まれた位置から、さらに０．１ｍｍ押し込んで、天板３１の底面に接着されたダイアフラム層１が流路基板８に達するように働く。このとき、ばね３３の弾性力は、線形的に０．２Ｎから０．５Ｎに変化した。また、基板層２は、厚さ０．５ｍｍのアクリル板２５にエンドミルで溝および貫通口を設けることにより、流路を形成した。溝を設けた面に、厚さ０．０５ｍｍのシリコーン樹脂製の接着剤をレーザーカットした接着シールを張り、平坦なアクリル板を接着し、流路に蓋をした。また、実施例１と同じ制御装置１８を用いて、ポンプを動作した。
【００７９】
（実施例１及び２によるダイアフラムの性能評価）
実施例１及び２によるダイアフラムポンプの性能として、流速及び圧力を評価した。より具体的には、特許文献２に開示されているＰｏＣ（Ｐｏｉｎｔ  ｏｆ  ｃａｒｅ）用途のμＴＡＳにおけるダイアフラムポンプとして評価した。粘性流体として、水とほぼ同じ粘度を有する水溶液を試験液として利用した。水溶液は、ＰｏＣのための試薬類が含まれていた。
【００８０】
実施例１及び２によるダイアフラムポンプを有するμＴＡＳチップに、図４Ａ及びＢに示す制御装置１８を配置し、数１０μＬ程度の試験液を基板層２の流路に流通させた。
【００８１】
μＴＡＳチップの流路は所々分岐しており、バルブで流れを切り変えたときにポンプから連通している流路の総長さが変化する。表１に示すように、ダイアフラムポンプにかかる圧力は変動した。
【００８２】
μＴＡＳチップの流路の幅は０．１ｍｍであり、流路の深さ０．２７ｍｍであった。流速はポンプ室の大きさとポンプ室の圧縮および膨張サイクルの速度にほぼ比例する。表２に、実施例１によるダイアフラムポンプ（番号１〜３）、及び実施例２によるダイアフラムポンプ（番号４）の実験結果を示す。
【００８３】
【表２】
2017057719.tif 000004
【００８４】
実施例１によるダイアフラムポンプの実験結果（番号１〜３）は、直径４．８ｍｍのポンプ室を有するダイアフラムポンプを、１Ｈｚで圧縮および膨張させたときの流速に基づく数値であった。また、実施例１によるダイアフラムポンプの実験結果（番号４）は、直径２．７ｍｍのポンプ室を有するポンプを、１Ｈｚで圧縮および膨張させたときの流速に基づく数値であった。
【００８５】
μＴＡＳチップの流路は、ダイアフラムポンプ１００から流路最終部の検出室またはドレインへ至るまでの総長は、最長約１００ｍｍであった。この場合、圧力抵抗は最大０．１５気圧程度であった。また、流路中のフィルターとして、間隔２５μｍで格子状に並んでおり、かつ２０μｍの幅を有する柱が用いられた。このフィルターで不要物を除去しながら液を透過するときの圧力抵抗は、輸送物に含まれる血球成分の濃度に依存するが、たかだか０．０５気圧であった。
【００８６】
表２からわかるように、実施例１及び２によるダイアフラムポンプの容量は、それぞれ、１．４μＬおよび０．３７μＬであった。また、実施例１及び２によるダイアフラムポンプの流速は、それぞれ１７０μＬ／分および４４μＬ／分であった。流速の値として、実施例における制御装置１８によって発生する棒１７の動作速度から、０．５秒／ストロークのときの流速を示した。
【００８７】
実施例１及び２によるダイアフラムポンプの変形部１１は、変形部に生じる弾性力が座屈条件Ｐｃよりも小さく、反転しない。このためポンプ室４の圧縮率はほぼ１００％である。
【００８８】
図９Ａに、実施例１によるダイアフラムポンプ１００を、表２の流路を有する基板層２に接続し、ポンプ室４を圧縮および膨張して液体を引き込んだときのポンプ室４の様子を示す。ダイアフラム層１の往復運動により、ポンプ室４は試験液で満たされ、定量的な送液を確認した。
【００８９】
実施例１によるダイアフラムポンプによる送液は、表１の流路長の違いによってもばらつかなかった。ダイアフラムポンプ１００について、１３個の圧縮および膨張サイクルあたりの平均流量と標準偏差は、１．６５μＬ±０．０８μＬであり、送液誤差は９％だった。
【００９０】
図１０Ａ及びＢに、実施例２によるダイアフラムポンプを動作したときの様子を示す。図６に示すように、実施例２によるダイアフラムポンプの第１の流路２１及び第４の流路２４には、逆止弁を配置した。ポンプ室４の圧縮及び膨張により、第１の流路２１から液体を導入し、第２の流路２２、ポンプ室４、第３の流路２３、及び第４の流路２４に液体を通過させて、第４の流路２４から液体を排出した。
【００９１】
ばね３３ばね３３ばね３３ばね３３ばね３３ばね３３ばね３３図１０Ａは、ポンプ室４を膨張した状態を示す。ポンプ室４内へ液体が引き込まれた。図１０Ｂは、ポンプ室４を圧縮した状態を示す。ポンプ室４内の液体がほぼ全て第４の流路２４から排出されたことを確認した。ポンプ１０個の充填率は、ダイアフラムポンプの両方共、ほぼ１００％であった。
【００９２】
図１１Ａ及びＢは、実施例によるダイアフラムポンプのポンプ室に液体を導入したときの図を示す。
【００９３】
（比較例１〜４）
図１３Ａ〜Ｃに、比較例によるダイアフラムポンプの構成を示す。図１３Ａは比較例によるダイアフラムの上面図である。図１３Ｂは、図１３Ａの切断線Ｈ−Ｈによる断面図である。図１３Ｃは、図１３Ａの切断線Ｉ−Ｉによる断面図である。
【００９４】
ダイアフラム層１の形状が円形ではないが、変形部の表面は、表１（番号３）に示す圧縮もしくは膨張のされ方とほぼ等価である。比較例による（表１の番号３）は、ポンプ室４の圧縮によって変形部１１が必ず反転し隙間が残るため、ポンプ室の圧縮前の体積に対する圧時の圧縮率は５０％程度である。表１に、比較例１〜３によるダイアフラムポンプの（番号３〜６）の各パラメータを示す。
【００９５】
表１に、比較例１によるダイアフラムポンプ（番号３）の反転が生じる構成を示す。また、表１に、比較例２〜４によるダイアフラムポンプ（番号４〜６）として、実施例と比較して大容量（ｍＬオーダーの液体）の輸送を行うポンプの構成を示す。比較例によるダイアフラムポンプの送液量、流速、および粘性流体による流路抵抗値には、特許文献２などの一般的な値に示す値を用いた。
【００９６】
図５Ｂは、（表１）の番号３の寸法で作製した比較例によるダイアフラムポンプである。比較例によるダイアフラムポンプは、変形部が反転するため、ダイアフラム層の往復動作によっても泡が十分に排除されず、泡の形状がばらつくため、送液量は安定しなかった。
【００９７】
比較例のダイアフラムポンプについて、ポンプ６個の圧縮および膨張ストロークあたりの平均流量と標準偏差は、２．８μＬ±０．９μＬであり、送液誤差は６０％程度と非常に大きく、送液量は安定しなかった。
【００９８】
比較例のダイアフラム（表１の番号３）は、変形部１１が反転するため、ポンプ室４は約５０％しか圧縮されない。このため、ポンプ室４内に輸送物である粘性流体や、気体が残留してしまった。
【００９９】
図９Ｂに、比較例によるダイアフラムポンプにより実際に送液したときの様子を示す。ポンプの導入口と排出口の先には実施例１と同様に逆止弁を配置し、ポンプ室の圧縮および膨張のサイクルによって、導入口から排出口へ液体を搬送した。ダイアフラムポンプ２０１も同様に動作した。
【０１００】
図１３に、比較例によるダイアフラムポンプによりポンプ室に液体を通過させた場合の写真を示す。この場合、残留した気泡を押し流す力は発生せず、液体を第２の流路から第３の流路へ流しても、気泡はいつまでもポンプ室内に留まっている。この気泡は、ポンプ室の形状によって緩和されるが、ポンプ室内への気泡の残留量は６０％〜９０％程度の範囲でばらついており、非常に不正確であった。
【０１０１】
（効果）
μＴＡＳデバイスのように微小空間中を物質輸送する場合、または輸送物が水などの場合、粘性的な振舞いを示し、対流の働きが非常に小さい。そのため、ポンプ室内に残留する輸送物は、洗浄液を送っても排除さずポンプ室内に留まり続けるなどの問題を生じ得る。
【０１０２】
本実施形態のダイアフラムポンプは、ポンプ室内の輸送物がほぼ全て排除されるため、そのような問題がほとんど生じない。また、表１に示す変形部の弾性力の列には、ポンプを圧縮するために必要な弾性力を示している。図４Ａ及びＢに示す制御装置１８の棒１７がダイアフラムポンプ１００の天板３１を押し込んでポンプ室４を圧縮するためには、天板層３のばね３３を押す力と、ポンプ室４内の内圧への対抗力に加えて、さらに表１に記載の変形部１１の弾性力よりも大きな力が必要である。
【０１０３】
表１によると、実施形態１のダイアフラムポンプの効果を発揮するためには、変形部１１の弾性力は、せいぜい０．２Ｎ程度である。一方、比較例によるダイアフラムポンプ（小型ポンプと呼ばれる容積のポンプ室を有する番号４〜６）では、変形部の弾性力は１０〜１００Ｎ程度にも大きくなってしまい、比較例によるダイアフラムポンプを動作するためには極めて大きな出力の制御装置が必要になってしまうため、実用的ではない。
【０１０４】
このため、本実施形態によるダイアフラムポンプは、μＴＡＳデバイスなどに用いることを想定し、かつ実験を行った初めて得れた知見に基づくため、本実施形態によるダイアフラムポンプは従来ダイアフラムポンプから類推することが容易ではないと考えらえられる。
【０１０５】
実施例１および２に示した様に、本実施形態のダイアフラムポンプは、ポンプ室の圧縮時に生じる正圧への対抗力がダイアフラムに生じ、かつ、この対抗力以下の正圧において変形部が反転せず、輸送物をポンプ室内へ残留させることなく排出することができる。
【０１０６】
このため、ポンプ室の圧縮において、例えばポンプ室内の輸送物が粘性流体である場合や、ポンプ室外との圧力差が生じている場合でも、ダイアフラムが反転せず変形して動作が正確になり、輸送ばらつきを抑えることができる。
【０１０７】
また、ポンプ室の圧縮時にダイアフラムが基板に達するようポンプ室を構成することにより、ポンプ室の圧縮時にポンプ室内をつぶし切り、内容物を全て排出することが可能なポンプの作成が容易になる。このため、ポンプ室内に水などの粘性的な輸送物または液体の導入時に液体と一緒に噛み込んだ気泡が残留して排出されないことを防ぎ、正確な物質輸送が可能になる。
【０１０８】
さらに、圧縮動作時のダイアフラムの動きがばらつかずに安定しているため、送液状態のモニター系が無くても送液の正確性が担保され易いため、外部装置を単純化でき、小型化にも寄与できる。
【０１０９】
（その他の構成）
なお、本実施例では、ダイアフラムポンプを内蔵するチップの一部に天板３１を含んでいるが、天板３１は天板３１は、ポンプ室４の圧縮動作時にのみダイアフラム層１に固定されていれば良いので、制御装置の押し棒１７の先端に天板が備えられていても良く、この天板がポンプ使用時にのみ摩擦力、吸着、接着テープ、磁力などによりポンプ室の天井に固定されるようにしても良い。ただし、摩擦力による固定は、ポンプ室膨張時にダイアフラムから天板が離れてしまうため、圧縮から復帰するときの変形部１１に働く復元力が非常に小さくなり、液体リザーバーから液体を引き込むときの圧力抵抗が大きい場合などに動作速度が減少してしまうため、圧力抵抗の大きさに注意した設計が必要である。このため、ダイアフラム層１と天板３１を吸着、接着テープ、磁力などの接着力が発生する方法で固定するのが望ましい。また、輸送物は液体でなくても良く、気体や、摩擦の無視できる紛体でも良い。
【０１１０】
（本発明のその他の態様）
従来の課題を解決するために、第１の態様によれば、基板と、基板表面にドーム状のダイアフラムの傾斜部が固定されることで形成されるチャンバーを有し、チャンバーの内面の基板またはダイアフラムの表面の一部には一つ以上の孔が形成されており、孔はチャンバーの外に通じる流路と接続され、チャンバーの上部のダイアフラム表面に固定された天板を有し、天板を基板面に向かい移動させ、ダイアフラムの天板の固定縁部とダイアフラムの基板表面固定縁部の間のダイアフラムの傾斜部においてダイアフラムの天板の固定縁部とダイアフラムの基板表面固定縁部から双方の固定縁部に向かって、傾斜部の表面に平行に圧縮力が働くことにより、傾斜部の厚みが、チャンバー内部に向かい、傾斜部の表面の法線方向へ増大して、傾斜部と基板が接触するダイアフラムポンプが提供される。
【０１１１】
本構成によって、ポンプ室の圧縮時に生じる正圧への対抗力がダイアフラムに生じ、この対抗力以下の正圧において前記変形部が反転せず、輸送物をポンプ室内へ残留させることなく排出することができる。このため、ポンプ室の圧縮において、例えばポンプ室内の輸送物が粘性流体である場合や、ポンプ室外との圧力差が生じている場合でも、ダイアフラムが反転せず変形して動作が正確になり、輸送ばらつきを抑えることができる。また、ポンプ室の圧縮時にダイアフラムが基板に達するようポンプ室を構成することにより、ポンプ室の圧縮時にポンプ室内をつぶし切り、内容物を全て排出することが可能なポンプの作成が容易になる。このため、ポンプ室内に水などの粘性的な輸送物または液体の導入時に液体と一緒に噛み込んだ気泡が残留して排出されないことを防ぎ、正確な物質輸送が可能になる。さらに、圧縮動作時のダイアフラムの動きがばらつかずに安定しているため、送液状態のモニター系が無くても送液の正確性が担保され易いため、外部装置を単純化でき、小型化にも寄与できる。
【０１１２】
第２の態様によれば、前記ダイアフラムの傾斜部がエラストマーである、請求項１に記載のダイアフラムポンプが提供される。本構成によって、ダイアフラムの作製が容易になる。
【０１１３】
第３の態様によれば、前記チャンバーの外の周囲に、前記基板に固定されたフレームを有し、フレームと前記ダイアフラムの前記天板が弾性体によって接続されており、天板を基板に向かい移動させると、弾性体に、天板を基板から離す方向の弾性力が発生する、ダイアフラムポンプが提供される。
【０１１４】
本構成によって、天板を押してポンプを圧縮させた後、天板を押す力を除くだけで圧縮前の状態に復帰させ、ポンプを再度圧縮して連続動作するポンプの作製が容易になる。
【０１１５】
第４の態様によれば、前記フレームと、フレームと前記ダイアフラムに接続された前記弾性体、および前記天板が、同一の材料で構成された非エラストマー系ポリマーまたは金属である、請求項３に記載のダイアフラムポンプが提供される。
【０１１６】
本構成によって、請求項３の弾性体の作製が容易になる。特に、本構成を他のμＴＡＳ装置部品と一体化する場合に、弾性体の材料を他の部品の要素と共通化し、前記部品間との接続部を無くし、この接続部に残留する無駄な輸送材料を減らすことができる。
【０１１７】
第５の態様によれば、前記フレームおよび前記ダイアフラムに固定された前記天板を装置に当接させたときに、装置は、押し棒を備え、押し棒を装置から押し出す動作または引き込む動作をする装置である。また、押し棒が天板上に配置されるよう天板に当接しており、また、押し棒を引いた状態で、天板が装置の押し棒以外の部分に当接して、天板が前記基板に向かい押され、かつダイアフラムが板から離れており、さらに、押し棒を装置から押し出すと、天板が前記基板へ向けて移動し、または、押し棒を基板から引き込むと、天板が装置の押し棒以外の部分に当接するまで、基板から離れる、ダイアフラムポンプが提供される。
【０１１８】
本構成によって、フレームから天板に接続された弾性体によって常に天板を基板面から持ち上げる弾性力が働くため、ポンプ室圧縮後の復帰、すなわちポンプ室膨張にて粘性流体の抵抗力よりも大きな弾性力を得ることができる。結果的に、ポンプ室膨張のダイアフラムの移動速度を大きくすることができる。また、ポンプ室膨常時にダイアフラムが戻り易くなるため、ポンプ室圧縮および膨張を繰り返すときの輸送の再現性が向上する。以上の利点を有するポンプおよびポンプの制御装置の作製が容易になる。
【０１１９】
第６の態様によれば、前記チャンバーの内面に形成された孔を二つ以上有し、孔の少なくとも一つは、チャンバーへ輸送物を流入させるときに弁が開く第一の逆止弁と接続され、さらに第一の逆止弁は、チャンバーの外に通じる流路と接続される。また、孔の少なくとも一つは、室へ輸送物を流出させるときに弁が開く第二の逆止弁と接続され、さらに第二の逆止弁は、チャンバーの外に通じる流路と接続される、請求項１から５に記載のダイアフラムポンプが提供される。
【０１２０】
本構成によって、ポンプ室圧縮および膨張のサイクルを繰り返すことでポンプ室の内容物を連続して輸送できるポンプを提供できる。請求項１の作用により、サイクル毎のポンプ室の定量変化が安定するため、輸送量の安定したポンプを提供できる。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本発明に係るマイクロダイアフラムポンプは、μＴＡＳチップに統合された構成部品の一つとして、小面積かつ正確な物質輸送を行うことができる。
【符号の説明】
【０１２２】
１  ダイアフラム層
２  基板層
３  天板層
４  ポンプ室
５  第１の接着層
７  第２の接着層
１０  フレーム
１１  変形部
１２  固定部
１３  ポンプ層
１４  本体部
１５  形状記憶合金線
１６  コイルばね１６
１７  棒
１８  制御装置
２１  第１の流路
２２  第２の流路
２３  第３の流路
２４  第４の流路
３１  天板
３２  フレーム
３３、３３ａ、３３ｂ  ばね
１００  ダイアフラムポンプ
２１０  逆止弁
１０１０  変形層
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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