微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置以及使用該驅(qū)動(dòng)裝置的微流體設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在使用形狀記憶合金來(lái)驅(qū)動(dòng)泵或閥的微流體設(shè)備中，通過(guò)僅在向串聯(lián)配置的閥驅(qū)動(dòng)用的形狀記憶合金通電時(shí)向泵驅(qū)動(dòng)用的形狀記憶合金通電，從而容易實(shí)現(xiàn)泵變位的控制且損失少的微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置以及使用該驅(qū)動(dòng)裝置的微流體設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]作為利用微機(jī)械技術(shù)等精細(xì)加工技術(shù)來(lái)制作微小流路或反應(yīng)容器等、并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)分析或化學(xué)合成、生物實(shí)驗(yàn)等的設(shè)備，已知有微流體設(shè)備。微流體設(shè)備也被稱作“ μ-TAS”或“Labo on a chip”，正在進(jìn)行開(kāi)發(fā)。
[0003]通常，在微流體設(shè)備中，將血液等供給的液體輸送到設(shè)置在設(shè)備上的反應(yīng)部，進(jìn)行熱或化學(xué)的反應(yīng)處理。然后，將反應(yīng)處理后的液體輸送到設(shè)置在設(shè)備上的檢測(cè)部，通過(guò)判定反應(yīng)的結(jié)果來(lái)進(jìn)行供給的液體的評(píng)價(jià)。因此，在微流體設(shè)備中，需要用于控制液體的流動(dòng)的微泵或微閥。
[0004]作為微泵或微閥的方式之一，存在使設(shè)置于微流體設(shè)備的隔膜(diaphram)變形的方式。若使隔膜變形而擠壓流路，則成為閥。另外，通過(guò)利用單向閥和伴隨隔膜的往復(fù)變位的容積變化，能夠構(gòu)成所謂的隔膜式的泵。使隔膜變形的方式能夠自由選擇所驅(qū)動(dòng)的致動(dòng)器，所以有人提出了利用了壓電、靜電或電磁等各種各樣的致動(dòng)器的方式。
[0005]作為這樣的微泵或微閥的方式之一，有人提出了使用了形狀記憶合金致動(dòng)器的隔膜式的微泵或微閥(例如，參照專利文獻(xiàn)1、專利文獻(xiàn)2)。形狀記憶合金致動(dòng)器利用了如下現(xiàn)象:線狀的形狀記憶合金因通電加熱而溫度上升，從而收縮，因自然放熱而溫度下降，從而伸長(zhǎng)為原始的長(zhǎng)度。通過(guò)使用形狀記憶合金致動(dòng)器，能夠構(gòu)成變位方向以外的尺寸緊湊的微泵或微閥，能夠在微流體設(shè)備上容易地配置多個(gè)微泵或微閥。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本特許第2912372號(hào)公報(bào)
[0008]專利文獻(xiàn)2:日本特許第3020488號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明要解決的問(wèn)題
[0010]使用了線狀的形狀記憶合金的致動(dòng)器能夠產(chǎn)生4%左右的應(yīng)變。因此，在微泵或微閥中，對(duì)于使隔膜變位0.1mm左右所需的形狀記憶合金的長(zhǎng)度，即使考慮壽命等而使其具有余裕，有1mm也就足夠了。形狀記憶合金的電阻在線徑150 μ m的線的情況下為61 Ω/m左右，所以1mm的形狀記憶合金的電阻為0.61 Ω左右。另外，對(duì)形狀記憶合金線進(jìn)行通電加熱時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)的電流為340mA左右，在持續(xù)施加了比這要高的電流的情況下，形狀記憶合金的溫度會(huì)過(guò)于上升而招致性能的劣化。根據(jù)電阻值和標(biāo)準(zhǔn)的電流，對(duì)長(zhǎng)度1mm的形狀記憶合金線進(jìn)行通電加熱時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)的電壓僅為0.2IV左右，投入功率(接入功率)成為71mW。
[0011]另一方面，在調(diào)節(jié)向形狀記憶合金致動(dòng)器的投入功率時(shí)，通常使用PWM(PulseWidth Modulat1n:脈沖寬度調(diào)制)控制。進(jìn)行PWM控制那就是向形狀記憶合金致動(dòng)器間歇地進(jìn)行通電。即，通過(guò)調(diào)節(jié)通電時(shí)間，能夠在電源電壓一定的狀態(tài)下控制向形狀記憶合金致動(dòng)器的投入功率。由此，就能夠控制與形狀記憶合金的溫度聯(lián)動(dòng)的形狀記憶合金致動(dòng)器的變位量。
[0012]但是，在使用IV的電源對(duì)長(zhǎng)度1mm的形狀記憶合金線的通電加熱進(jìn)行PWM控制的情況下，要使投入功率為與0.21V的連續(xù)通電相同的投入功率，需要使負(fù)載比(duty rat1)為4.4%，并且使流動(dòng)電流的瞬間電流為1.6A。因此，要調(diào)節(jié)向形狀記憶合金致動(dòng)器的投入功率并控制泵容積，需要構(gòu)建具備負(fù)載比0%?4.4%的范圍、具備足夠的分辨率的PWM控制系統(tǒng)。加之，由于電流大，所以驅(qū)動(dòng)電路中的內(nèi)部電阻對(duì)于損失的影響也變得不容忽視。因此，只是單純地進(jìn)行PWM控制，則要求電路高精度化、并能對(duì)應(yīng)大電流且低損失化，電路制作變得困難，因此，存在無(wú)法容易地實(shí)現(xiàn)伴隨形狀記憶合金致動(dòng)器的變位而變化的泵容積的控制這一問(wèn)題。
[0013]作為對(duì)于這樣的問(wèn)題使得電路制作容易的方法，可考慮將電阻與形狀記憶合金線串聯(lián)連接。通過(guò)電阻，施加于形狀記憶合金線的電壓成為對(duì)電源電壓進(jìn)行了分壓后的電壓。在串聯(lián)連接2.2Ω的電阻的情況下，對(duì)于IV的電源電壓，施加于形狀記憶合金線的電壓可抑制為0.22V。在該情況下，PWM控制中的負(fù)載比的調(diào)節(jié)范圍幾乎都能夠利用，并且電流也可抑制。因此，電路制作變得容易，并且泵容積的控制也變得容易。但是，由于投入功率的近8成會(huì)成為電阻中的損失，所以在效率方面存在問(wèn)題。
[0014]因此，本發(fā)明的目的在于，解決上述問(wèn)題，并提供一種容易實(shí)現(xiàn)泵容積的控制且損失少的、微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置以及使用了該驅(qū)動(dòng)裝置的微流體設(shè)備。
[0015]用于解決問(wèn)題的手段
[0016]為了達(dá)成所述目的，本發(fā)明如下構(gòu)成。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的第I技術(shù)方案，提供一種微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置，具備:
[0018]泵驅(qū)動(dòng)單元，其具有第I形狀記憶合金線、伴隨所述第I形狀記憶合金線的伸縮而進(jìn)行泵動(dòng)作的微泵、與所述第I形狀記憶合金線并聯(lián)配設(shè)的配線單元、對(duì)能夠僅向所述第I形狀記憶合金線通電的狀態(tài)和能夠向所述配線單元通電的狀態(tài)進(jìn)行切換的第I切換開(kāi)關(guān)單元;
[0019]閥驅(qū)動(dòng)單元，其具有多條第2形狀記憶合金線、伴隨所述多條第2形狀記憶合金線各自的伸縮而分別進(jìn)行閥動(dòng)作的多個(gè)微閥、以及使所述多條第2形狀記憶合金線的任一條成為能夠通電的狀態(tài)的第2切換開(kāi)關(guān)單元；
[0020]電源單元；
[0021]開(kāi)關(guān)單元，其與所述泵驅(qū)動(dòng)單元和所述閥驅(qū)動(dòng)單元串聯(lián)連接，對(duì)從所述電源單元向所述泵驅(qū)動(dòng)單元和所述閥驅(qū)動(dòng)單元流動(dòng)的電流進(jìn)行接通、斷開(kāi)；
[0022]閥控制單元，其對(duì)所述第2切換開(kāi)關(guān)單元的狀態(tài)和所述開(kāi)關(guān)單元的接通、斷開(kāi)的頻度進(jìn)行控制；以及
[0023]泵控制單元，其對(duì)在所述開(kāi)關(guān)單元接通的狀態(tài)下所述第I切換開(kāi)關(guān)單元成為能夠僅向所述第I形狀記憶合金線通電的狀態(tài)的期間進(jìn)行控制。
[0024]這些概括的且特定的技術(shù)方案可以通過(guò)系統(tǒng)、方法以及系統(tǒng)和方法的任意的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的所述技術(shù)方案，僅在向微閥驅(qū)動(dòng)用的形狀記憶合金線通電時(shí)，向微泵驅(qū)動(dòng)用的形狀記憶合金線通電。因此，對(duì)于接通、斷開(kāi)動(dòng)作的微閥，在需要容積控制的微泵的驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過(guò)由微閥動(dòng)作用的形狀記憶合金線的電阻進(jìn)行分壓后的電源單元的電壓，使微泵動(dòng)作用的形狀記憶合金線驅(qū)動(dòng)。其結(jié)果，泵容積的控制變得容易。
[0026]另外，由于通過(guò)與所驅(qū)動(dòng)的微閥對(duì)應(yīng)的形狀記憶合金線的電阻實(shí)現(xiàn)了分壓，所以也不會(huì)產(chǎn)生無(wú)謂的損失。因此，能夠得到容易實(shí)現(xiàn)泵容積的控制且損失少的微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是示出本發(fā)明的第I實(shí)施方式中的流體輸送裝置的概略的圖。
[0028]圖2是示出本發(fā)明的第I實(shí)施方式中的使用了分別驅(qū)動(dòng)微泵和微閥的形狀記憶合金線的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的伸長(zhǎng)狀態(tài)下的概略的主視圖。
[0029]圖3是示出本發(fā)明的第I實(shí)施方式中的使用了分別驅(qū)動(dòng)微泵和微閥的形狀記憶合金線的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的收縮狀態(tài)下的概略的主視圖。
[0030]圖4是示出本發(fā)明的第I實(shí)施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設(shè)備的概略的圖。
[0031]圖5是示出本發(fā)明的第I實(shí)施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設(shè)備的動(dòng)作的時(shí)間圖的圖。
[0032]圖6是示出本發(fā)明的第I實(shí)施方式中的微泵及微閥驅(qū)動(dòng)時(shí)的通電狀態(tài)的時(shí)間圖的圖。
[0033]圖7是示出本發(fā)明的第2實(shí)施方式中的流體輸送裝置的概略的圖。
[0034]圖8是示出本發(fā)明的第2實(shí)施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設(shè)備的概略的圖。
[0035]圖9是示出本發(fā)明的第2實(shí)施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設(shè)備的動(dòng)作的時(shí)間圖的圖。
[0036]圖10是示出表示本發(fā)明的第2實(shí)施方式中的微泵和微閥驅(qū)動(dòng)時(shí)的通電狀態(tài)的時(shí)間圖的圖。
[0037]圖11是示出本發(fā)明的第3實(shí)施方式中的流體輸送裝置的概略的圖。
[0038]圖12是示出本發(fā)明的第3實(shí)施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設(shè)備的概略的圖。
[0039]圖13是示出本發(fā)明的第3實(shí)施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設(shè)備的動(dòng)作的時(shí)間圖的圖。
[0040]圖14是示出表示本發(fā)明的第3實(shí)施方式中的微泵和微閥驅(qū)動(dòng)時(shí)的通電狀態(tài)的時(shí)間圖的圖。
[0041]圖15是示出本發(fā)明的第4實(shí)施方式中的流體輸送裝置的概略的圖。
[0042]圖16是示出本發(fā)明的第4實(shí)施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設(shè)備的概略的圖。
[0043]圖17是示出本發(fā)明的第4實(shí)施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設(shè)備的動(dòng)作的時(shí)間圖的圖。
[0044]圖18是示出表示本發(fā)明的第4實(shí)施方式中的微泵和微閥驅(qū)動(dòng)時(shí)的通電狀態(tài)的時(shí)間圖的圖。
[0045]圖19是示出本發(fā)明的第4實(shí)施方式的變形例中的流體輸送裝置的概略的圖。
[0046]標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0047]IaUbUcUd流體輸送裝置
[0048]2直流電源
[0049]3開(kāi)關(guān)電路
[0050]4a、4b、4c、4d 切換電路
[0051]5a、5b、5c、5d、5e、5f 形狀記憶合金線
[0052]6a、6b、6c、6d、6e 銅線
[0053]7a、7b、7c、7d、7e 泵驅(qū)動(dòng)單元
[0054]8a、8b、8c、8d、8e 切換電路
[0055]9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h、91、9j、9k、91 形狀記憶合金線
[0056]10a、10b、10c、1cU 1e 閥驅(qū)動(dòng)單元
[0057]I la、I lb、11c、I Id 閥控制單元
[0058]12a、12b、12c、12d 泵控制單元
[0059]13a、13b 電阻
[0060]21形狀記憶合金線
[0061]22保持部件
[0062]23按壓部件
[0063]23a 端部
[0064]24 配線
[0065]25 配線
[0066]26壓縮彈簧
[0067]27固定板
[0068]28 壓板
[0069]29流路基板
[0070]29a 凹部
[0071]30樹(shù)脂膜
[0072]31 孔
[0073]32內(nèi)部空間
[0074]33a、33b 流路
[0075]41a、41b、41c、41d 微流體設(shè)備
[0076]42a、42b、42c、42d、42e 儲(chǔ)液部
[0077]43a、43b、43c、43d、43e、43f、50a、50b、50c、50d、50e 微泵
[0078]44a、44b、44c、44d、44e 反應(yīng)部
[0079]45a、45b、45c、45d、45e、45f、45g、45h、451、45j、45k、451、51a、51b、51c、51d、51e微閥
[0080]46a、46b、46c、46d、46e、46f 檢測(cè)部
[0081]47a、47b、47c、47d 排出部
[0082]48混合部
[0083]52單向閥
【具體實(shí)施方式】
[0084]以下，基于附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0085]在對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明之前，對(duì)本發(fā)明的各種技術(shù)方案進(jìn)行說(shuō)明。
[0086]根據(jù)本發(fā)明的第I技術(shù)方案，提供一種微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置，具備:
[0087]泵驅(qū)動(dòng)單元，其具有第I形狀記憶合金線、伴隨所述第I形狀記憶合金線的伸縮而進(jìn)行泵動(dòng)作的微泵、與所述第I形狀記憶合金線并聯(lián)配設(shè)的配線單元、以及對(duì)能夠僅向所述第I形狀記憶合金線通電的狀態(tài)和能夠向所述配線單元通電的狀態(tài)進(jìn)行切換的第I切換開(kāi)關(guān)單元；
[0088]閥驅(qū)動(dòng)單元，其具有多條第2形狀記憶合金線、伴隨所述多條第2形狀記憶合金線各自的伸縮而分別進(jìn)行閥動(dòng)作的多個(gè)微閥、以及使所述多條第2形狀記憶合金線的任一條成為能夠通電的狀態(tài)的第2切換開(kāi)關(guān)單元；
[0089]電源單元；
[0090]開(kāi)關(guān)單元，其與所述泵驅(qū)動(dòng)單元和所述閥驅(qū)動(dòng)單元串聯(lián)連接，對(duì)從所述電源單元向所述泵驅(qū)動(dòng)單元和所述閥驅(qū)動(dòng)單元流動(dòng)的電流進(jìn)行接通、斷開(kāi)；
[0091]閥控制單元，其對(duì)所述第2切換開(kāi)關(guān)單元的狀態(tài)和所述開(kāi)關(guān)單元的接通、斷開(kāi)的頻度進(jìn)行控制；以及
[0092]泵控制單元，其對(duì)在所述開(kāi)關(guān)單元接通的狀態(tài)下所述第I切換開(kāi)關(guān)單元成為能夠僅向所述第I形狀記憶合金線通電的狀態(tài)的期間進(jìn)行控制。
[0093]根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，僅在向微閥驅(qū)動(dòng)用的形狀記憶合金線通電時(shí)，向微泵驅(qū)動(dòng)用的形狀記憶合金線通電。因此，對(duì)于接通、斷開(kāi)動(dòng)作的微閥，在需要容積控制的微泵的驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過(guò)由微閥動(dòng)作用的形狀記憶合金線的電阻進(jìn)行分壓后的電源單元的電壓，使微泵動(dòng)作用的形狀記憶合金線驅(qū)動(dòng)。其結(jié)果，泵容積的控制變得容易。
[0094]另外，由于通過(guò)與所驅(qū)動(dòng)的微閥對(duì)應(yīng)的形狀記憶合金線的電阻實(shí)現(xiàn)了分壓，所以也不會(huì)產(chǎn)生無(wú)謂的損失。因此，能夠得到容易實(shí)現(xiàn)泵容積的控制且損失少的微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置。
[0095]根據(jù)本發(fā)明的第2技術(shù)方案，提供第I技術(shù)方案所述的微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置，
[0096]具備多個(gè)所述閥驅(qū)動(dòng)單元，
[0097]所述多個(gè)閥驅(qū)動(dòng)單元串聯(lián)連接。
[0098]根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，在多個(gè)微閥同時(shí)驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)下，能夠進(jìn)一步降低施加于微泵驅(qū)動(dòng)用的形狀記憶合金線的電壓，因此能夠得到能夠容易實(shí)現(xiàn)泵容積的控制的微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置。
[0099]根據(jù)本發(fā)明的第3技術(shù)方案，提供第I或者2的技術(shù)方案所述的微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置，
[0100]所述泵驅(qū)動(dòng)單元分別具有多條所述第I形狀記憶合金線和多個(gè)所述微泵，
[0101]所述第I切換開(kāi)關(guān)單元對(duì)能夠向所述多條第I形狀記憶合金線的任一條或所述配線單元通電的狀態(tài)進(jìn)行切換。
[0102]根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠得到即使在多個(gè)微泵選擇性地驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)下也容易實(shí)現(xiàn)泵容積的控制且損失少的微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置。
[0103]根據(jù)本發(fā)明的第4技術(shù)方案，提供第I?3的任一技術(shù)方案所述的微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置，
[0104]具備多個(gè)所述泵驅(qū)動(dòng)單元，
[0105]所述多個(gè)泵驅(qū)動(dòng)單元串聯(lián)連接。
[0106]根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠得到在多個(gè)微泵始終同時(shí)驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)下容易實(shí)現(xiàn)泵容積的控制且損失少的微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置。
[0107]根據(jù)本發(fā)明的第5技術(shù)方案，提供第4的技術(shù)方案所述的微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置，
[0108]所述泵驅(qū)動(dòng)單元還具有與所述第I形狀記憶合金線并聯(lián)的電阻，
[0109]所述第I切換開(kāi)關(guān)單元也能夠切換為能夠僅向所述電阻通電的狀態(tài)。
[0110]根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，即使在不向任一微泵驅(qū)動(dòng)用的形狀記憶合金線通電的情況下，也能夠抑制向串聯(lián)連接的其他微泵或微閥施加的電壓的變動(dòng)，因此，能夠得到即使在多個(gè)微泵同時(shí)或獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)下也容易實(shí)現(xiàn)泵容積的控制且損失少的微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置。
[0111]根據(jù)本發(fā)明的第6技術(shù)方案，提供第I?3的任一技術(shù)方案所述的微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置，
[0112]根據(jù)所述泵控制單元成為能夠僅向所述第I形狀記憶合金線通電的狀態(tài)的期間，所述閥控制單元對(duì)所述開(kāi)關(guān)單元的接通、斷開(kāi)的頻度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0113]根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠防止向微泵驅(qū)動(dòng)用的形狀記憶合金線的通電期間越短、則向微閥驅(qū)動(dòng)用的形狀記憶合金線的投入功率越增加，因此能夠得到消耗功率更少的微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置。
[0114]根據(jù)本發(fā)明的第7技術(shù)方案，提供一種微流體設(shè)備，具備:
[0115]第I?6的任一技術(shù)方案所述的微泵和微閥的驅(qū)動(dòng)裝置；
[0116]儲(chǔ)液部；
[0117]與所述儲(chǔ)液部連接的所述微泵；