微泵和微閥的驅動裝置以及使用該驅動裝置的微流體設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及在使用形狀記憶合金來驅動泵或閥的微流體設備中，通過僅在向串聯配置的閥驅動用的形狀記憶合金通電時向泵驅動用的形狀記憶合金通電，從而容易實現泵變位的控制且損失少的微泵和微閥的驅動裝置以及使用該驅動裝置的微流體設備。
【背景技術】
[0002]作為利用微機械技術等精細加工技術來制作微小流路或反應容器等、并在此基礎上進行化學分析或化學合成、生物實驗等的設備，已知有微流體設備。微流體設備也被稱作“ μ-TAS”或“Labo on a chip”，正在進行開發。
[0003]通常，在微流體設備中，將血液等供給的液體輸送到設置在設備上的反應部，進行熱或化學的反應處理。然后，將反應處理后的液體輸送到設置在設備上的檢測部，通過判定反應的結果來進行供給的液體的評價。因此，在微流體設備中，需要用于控制液體的流動的微泵或微閥。
[0004]作為微泵或微閥的方式之一，存在使設置于微流體設備的隔膜(diaphram)變形的方式。若使隔膜變形而擠壓流路，則成為閥。另外，通過利用單向閥和伴隨隔膜的往復變位的容積變化，能夠構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動的致動器，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器的隔膜式的微泵或微閥(例如，參照專利文獻1、專利文獻2)。形狀記憶合金致動器利用了如下現象: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，從而伸長為原始的長度。通過使用形狀記憶合金致動器，能夠構成變位方向以外的尺寸緊湊的微泵或微閥，能夠在微流體設備上容易地配置多個微泵或微閥。
[0006]現有技術文獻
[0007]專利文獻1:日本特許第2912372號公報
[0008]專利文獻2:日本特許第3020488號公報
【發明內容】
[0009]發明要解決的問題
[0010]使用了線狀的形狀記憶合金的致動器能夠產生4%左右的應變。因此，在微泵或微閥中，對于使隔膜變位0.1mm左右所需的形狀記憶合金的長度，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，對形狀記憶合金線進行通電加熱時的標準的電流為340mA左右，在持續施加了比這要高的電流的情況下，形狀記憶合金的溫度會過于上升而招致性能的劣化。根據電阻值和標準的電流，對長度1mm的形狀記憶合金線進行通電加熱時的標準的電壓僅為0.2IV左右，投入功率(接入功率)成為71mW。
[0011]另一方面，在調節向形狀記憶合金致動器的投入功率時，通常使用PWM(PulseWidth Modulat1n:脈沖寬度調制)控制。進行PWM控制那就是向形狀記憶合金致動器間歇地進行通電。即，通過調節通電時間，能夠在電源電壓一定的狀態下控制向形狀記憶合金致動器的投入功率。由此，就能夠控制與形狀記憶合金的溫度聯動的形狀記憶合金致動器的變位量。
[0012]但是，在使用IV的電源對長度1mm的形狀記憶合金線的通電加熱進行PWM控制的情況下，要使投入功率為與0.21V的連續通電相同的投入功率，需要使負載比(duty rat1)為4.4%，并且使流動電流的瞬間電流為1.6A。因此，要調節向形狀記憶合金致動器的投入功率并控制泵容積，需要構建具備負載比0%?4.4%的范圍、具備足夠的分辨率的PWM控制系統。加之，由于電流大，所以驅動電路中的內部電阻對于損失的影響也變得不容忽視。因此，只是單純地進行PWM控制，則要求電路高精度化、并能對應大電流且低損失化，電路制作變得困難，因此，存在無法容易地實現伴隨形狀記憶合金致動器的變位而變化的泵容積的控制這一問題。
[0013]作為對于這樣的問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連接。通過電阻，施加于形狀記憶合金線的電壓成為對電源電壓進行了分壓后的電壓。在串聯連接2.2Ω的電阻的情況下，對于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控制中的負載比的調節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成會成為電阻中的損失，所以在效率方面存在問題。
[0014]因此，本發明的目的在于，解決上述問題，并提供一種容易實現泵容積的控制且損失少的、微泵和微閥的驅動裝置以及使用了該驅動裝置的微流體設備。
[0015]用于解決問題的手段
[0016]為了達成所述目的，本發明如下構成。
[0017]根據本發明的第I技術方案，提供一種微泵和微閥的驅動裝置，具備:
[0018]泵驅動單元，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行泵動作的微泵、與所述第I形狀記憶合金線并聯配設的配線單元、對能夠僅向所述第I形狀記憶合金線通電的狀態和能夠向所述配線單元通電的狀態進行切換的第I切換開關單元;
[0019]閥驅動單元，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行閥動作的多個微閥、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的第2切換開關單元；
[0020]電源單元；
[0021]開關單元，其與所述泵驅動單元和所述閥驅動單元串聯連接，對從所述電源單元向所述泵驅動單元和所述閥驅動單元流動的電流進行接通、斷開；
[0022]閥控制單元，其對所述第2切換開關單元的狀態和所述開關單元的接通、斷開的頻度進行控制；以及
[0023]泵控制單元，其對在所述開關單元接通的狀態下所述第I切換開關單元成為能夠僅向所述第I形狀記憶合金線通電的狀態的期間進行控制。
[0024]這些概括的且特定的技術方案可以通過系統、方法以及系統和方法的任意的組合來實現。
[0025]根據本發明的所述技術方案，僅在向微閥驅動用的形狀記憶合金線通電時，向微泵驅動用的形狀記憶合金線通電。因此，對于接通、斷開動作的微閥，在需要容積控制的微泵的驅動時，通過由微閥動作用的形狀記憶合金線的電阻進行分壓后的電源單元的電壓，使微泵動作用的形狀記憶合金線驅動。其結果，泵容積的控制變得容易。
[0026]另外，由于通過與所驅動的微閥對應的形狀記憶合金線的電阻實現了分壓，所以也不會產生無謂的損失。因此，能夠得到容易實現泵容積的控制且損失少的微泵和微閥的驅動裝置。
【附圖說明】
[0027]圖1是示出本發明的第I實施方式中的流體輸送裝置的概略的圖。
[0028]圖2是示出本發明的第I實施方式中的使用了分別驅動微泵和微閥的形狀記憶合金線的驅動機構的伸長狀態下的概略的主視圖。
[0029]圖3是示出本發明的第I實施方式中的使用了分別驅動微泵和微閥的形狀記憶合金線的驅動機構的收縮狀態下的概略的主視圖。
[0030]圖4是示出本發明的第I實施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設備的概略的圖。
[0031]圖5是示出本發明的第I實施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設備的動作的時間圖的圖。
[0032]圖6是示出本發明的第I實施方式中的微泵及微閥驅動時的通電狀態的時間圖的圖。
[0033]圖7是示出本發明的第2實施方式中的流體輸送裝置的概略的圖。
[0034]圖8是示出本發明的第2實施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設備的概略的圖。
[0035]圖9是示出本發明的第2實施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設備的動作的時間圖的圖。
[0036]圖10是示出表示本發明的第2實施方式中的微泵和微閥驅動時的通電狀態的時間圖的圖。
[0037]圖11是示出本發明的第3實施方式中的流體輸送裝置的概略的圖。
[0038]圖12是示出本發明的第3實施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設備的概略的圖。
[0039]圖13是示出本發明的第3實施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設備的動作的時間圖的圖。
[0040]圖14是示出表示本發明的第3實施方式中的微泵和微閥驅動時的通電狀態的時間圖的圖。
[0041]圖15是示出本發明的第4實施方式中的流體輸送裝置的概略的圖。
[0042]圖16是示出本發明的第4實施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設備的概略的圖。
[0043]圖17是示出本發明的第4實施方式中的使用了流體輸送裝置的微流體設備的動作的時間圖的圖。
[0044]圖18是示出表示本發明的第4實施方式中的微泵和微閥驅動時的通電狀態的時間圖的圖。
[0045]圖19是示出本發明的第4實施方式的變形例中的流體輸送裝置的概略的圖。
[0046]標號說明
[0047]IaUbUcUd流體輸送裝置
[0048]2直流電源
[0049]3開關電路
[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 泵驅動單元
[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 閥驅動單元
[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樹脂膜
[0072]31 孔
[0073]32內部空間
[0074]33a、33b 流路
[0075]41a、41b、41c、41d 微流體設備
[0076]42a、42b、42c、42d、42e 儲液部
[0077]43a、43b、43c、43d、43e、43f、50a、50b、50c、50d、50e 微泵
[0078]44a、44b、44c、44d、44e 反應部
[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 檢測部
[0081]47a、47b、47c、47d 排出部
[0082]48混合部
[0083]52單向閥
【具體實施方式】
[0084]以下，基于附圖對本發明的實施方式進行詳細說明。
[0085]在對本發明的實施方式進行說明之前，對本發明的各種技術方案進行說明。
[0086]根據本發明的第I技術方案，提供一種微泵和微閥的驅動裝置，具備:
[0087]泵驅動單元，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行泵動作的微泵、與所述第I形狀記憶合金線并聯配設的配線單元、以及對能夠僅向所述第I形狀記憶合金線通電的狀態和能夠向所述配線單元通電的狀態進行切換的第I切換開關單元；
[0088]閥驅動單元，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行閥動作的多個微閥、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的第2切換開關單元；
[0089]電源單元；
[0090]開關單元，其與所述泵驅動單元和所述閥驅動單元串聯連接，對從所述電源單元向所述泵驅動單元和所述閥驅動單元流動的電流進行接通、斷開；
[0091]閥控制單元，其對所述第2切換開關單元的狀態和所述開關單元的接通、斷開的頻度進行控制；以及
[0092]泵控制單元，其對在所述開關單元接通的狀態下所述第I切換開關單元成為能夠僅向所述第I形狀記憶合金線通電的狀態的期間進行控制。
[0093]根據這樣的結構，僅在向微閥驅動用的形狀記憶合金線通電時，向微泵驅動用的形狀記憶合金線通電。因此，對于接通、斷開動作的微閥，在需要容積控制的微泵的驅動時，通過由微閥動作用的形狀記憶合金線的電阻進行分壓后的電源單元的電壓，使微泵動作用的形狀記憶合金線驅動。其結果，泵容積的控制變得容易。
[0094]另外，由于通過與所驅動的微閥對應的形狀記憶合金線的電阻實現了分壓，所以也不會產生無謂的損失。因此，能夠得到容易實現泵容積的控制且損失少的微泵和微閥的驅動裝置。
[0095]根據本發明的第2技術方案，提供第I技術方案所述的微泵和微閥的驅動裝置，
[0096]具備多個所述閥驅動單元，
[0097]所述多個閥驅動單元串聯連接。
[0098]根據這樣的結構，在多個微閥同時驅動的狀態下，能夠進一步降低施加于微泵驅動用的形狀記憶合金線的電壓，因此能夠得到能夠容易實現泵容積的控制的微泵和微閥的驅動裝置。
[0099]根據本發明的第3技術方案，提供第I或者2的技術方案所述的微泵和微閥的驅動裝置，
[0100]所述泵驅動單元分別具有多條所述第I形狀記憶合金線和多個所述微泵，
[0101]所述第I切換開關單元對能夠向所述多條第I形狀記憶合金線的任一條或所述配線單元通電的狀態進行切換。
[0102]根據這樣的結構，能夠得到即使在多個微泵選擇性地驅動的狀態下也容易實現泵容積的控制且損失少的微泵和微閥的驅動裝置。
[0103]根據本發明的第4技術方案，提供第I?3的任一技術方案所述的微泵和微閥的驅動裝置，
[0104]具備多個所述泵驅動單元，
[0105]所述多個泵驅動單元串聯連接。
[0106]根據這樣的結構，能夠得到在多個微泵始終同時驅動的狀態下容易實現泵容積的控制且損失少的微泵和微閥的驅動裝置。
[0107]根據本發明的第5技術方案，提供第4的技術方案所述的微泵和微閥的驅動裝置，
[0108]所述泵驅動單元還具有與所述第I形狀記憶合金線并聯的電阻，
[0109]所述第I切換開關單元也能夠切換為能夠僅向所述電阻通電的狀態。
[0110]根據這樣的結構，即使在不向任一微泵驅動用的形狀記憶合金線通電的情況下，也能夠抑制向串聯連接的其他微泵或微閥施加的電壓的變動，因此，能夠得到即使在多個微泵同時或獨立驅動的狀態下也容易實現泵容積的控制且損失少的微泵和微閥的驅動裝置。
[0111]根據本發明的第6技術方案，提供第I?3的任一技術方案所述的微泵和微閥的驅動裝置，
[0112]根據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的期間，所述閥控制單元對所述開關單元的接通、斷開的頻度進行調節。
[0113]根據這樣的結構，能夠防止向微泵驅動用的形狀記憶合金線的通電期間越短、則向微閥驅動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動裝置。
[0114]根據本發明的第7技術方案，提供一種微流體設備，具備:
[0115]第I?6的任一技術方案所述的微泵和微閥的驅動裝置；
[0116]儲液部；
[0117]與所述儲液部連接的所述微泵；