JP2005027495A - Optical micro motor, micro pump using it, and micro valve using it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、細胞やDNAの操作などを行うバイオテクノロジー分野等の微量な流体の操作が必要な分野において好適に用いられ得る光マイクロモータ、マイクロポンプ、その操作方法などに関する。 The present invention relates to an optical micromotor, a micropump, an operation method thereof, and the like that can be suitably used in a field that requires manipulation of a small amount of fluid such as a biotechnology field in which cells and DNA are manipulated.
液体中の細胞やDNA分子を捕捉する技術として、レーザトラップ技術がよく知られている。これは、屈折率が周辺の媒質と異なる微粒子の表面で光が屈折ないし反射することで光子の運動量が変化し、その運動量変化が運動量保存則によって微粒子に受け渡され、微粒子に運動量変化を生じさせるという原理に基づいている。これにより、微粒子はレーザ光の焦点方向に力を受け、レーザ光の焦点に捕捉されることになる。さらに、レーザ光の焦点を動かすことで、捕捉された微粒子を操作することができる。こうして、レーザ光を顕微鏡の対物レンズによって集光し、視野下に微粒子を補足できるため、この技術は顕微鏡下での細胞やDNAの操作に好適である。 Laser trap technology is well known as a technology for capturing cells and DNA molecules in a liquid. This is because the momentum of a photon changes due to light being refracted or reflected on the surface of a fine particle with a refractive index different from that of the surrounding medium, and the momentum change is transferred to the fine particle by the law of conservation of momentum, resulting in a change of momentum in the fine particle. Is based on the principle of As a result, the fine particles receive a force in the focal direction of the laser beam and are captured by the focal point of the laser beam. Furthermore, the captured fine particles can be manipulated by moving the focal point of the laser beam. In this way, since the laser beam can be collected by the objective lens of the microscope and the fine particles can be captured under the field of view, this technique is suitable for the operation of cells and DNA under the microscope.
この技術は、非接触で対象物を操作することができるため、メカニカルなマニピュレータのように機械的な精度や振動の影響を受けることが少ないという特徴がある。また、トラップ対象としては、ポリスチレンの微小球などのいわゆるマイクロツールも使用可能であり、レーザトラップしたマイクロツールに細胞を付着させて間接的に細胞を操作することも行われている。 Since this technique can operate an object in a non-contact manner, it is characterized in that it is less affected by mechanical accuracy and vibration like a mechanical manipulator. As a trap target, so-called micro tools such as polystyrene microspheres can be used, and the cells are indirectly manipulated by attaching the cells to the laser trapped micro tool.
さらに、例えば、特許文献１、特許文献２、等では、レーザトラップをポンプやモータの駆動源として応用する提案も行われている。これらの提案の主旨は、微小なロータをレーザトラップを用いて所定の位置に捕捉し、同時にレーザ光の放射圧（光の反射、屈折に起因する運動量変化）によりこれに回転力を与えるものである。回転の駆動力は、レーザ光の放射圧の強度により制御できる。これらの技術では、レーザトラップによってロータを捕捉するために軸受けが必要なく、従来の微小駆動機構にとって大きな問題であった軸受けの摩擦や摩耗の影響がなくなるという利点がある。また、特許文献３では、レーザ光を用いた様々な駆動機構が示されている。
しかしながら、一方において上記従来例のマイクロモータでは次の様な問題点がある。
１）レーザ光をトラップ光と駆動光として共用する場合、トラップのために或る程度のレーザ光強度が必要なため、駆動光もそうした光強度を持ってしまってロータの低速回転や停止が困難である。また、放射圧によりロータを回転するため、回転角度が自由に制御できない。
２）レーザ光をトラップ光と駆動光を共用しない場合、それぞれのレーザ光を異なった方向からロータに照射する必要があるため、レーザ光照射のための構造が複雑となる。または、回転軸を支持する別の手段を用意する必要がある。
However, the above-described conventional micromotor has the following problems.
1) When laser light is shared as trap light and drive light, a certain level of laser light intensity is required for trapping, so the drive light also has such light intensity, making it difficult to rotate and stop the rotor at low speed. It is. Further, since the rotor is rotated by the radiation pressure, the rotation angle cannot be freely controlled.
2) When the laser light is not shared with the trap light and the drive light, it is necessary to irradiate the rotor with the respective laser light from different directions, and the structure for laser light irradiation becomes complicated. Or it is necessary to prepare another means for supporting the rotating shaft.
本発明は、上記課題に鑑み、例えば、簡便な構成で回転を柔軟、自由に制御可能とできるロータを有する光マイクロモータ、これを用いたマイクロポンプ、これらの操作方法を提供する。 In view of the above problems, the present invention provides, for example, an optical micromotor having a rotor that can be freely and freely controlled in rotation with a simple configuration, a micropump using the same, and a method of operating these.
本発明は、上述の問題点を鑑みてなされたものであり、本発明の光マイクロモータは、回転中心軸の回りに回転するロータを有する光マイクロモータであって、光ビームによりトラップされる光トラップ部を少なくとも１箇所に有するロータと、該光トラップ部に照射する少なくとも１つの光ビームと、該光ビームによって前記光トラップ部を保持することによって、所定位置に位置決めされる前記回転中心軸と、前記光トラップ部と共に前記ロータが前記回転中心軸の回りで回転する様に光ビームを移動させるか切り換える手段とを有している。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an optical micromotor of the present invention is an optical micromotor having a rotor that rotates about a rotation center axis, and is light trapped by a light beam. A rotor having at least one trap portion; at least one light beam applied to the optical trap portion; and the rotation center axis positioned at a predetermined position by holding the optical trap portion by the light beam; And a means for moving or switching the light beam so that the rotor rotates together with the optical trap portion around the rotation center axis.
また、本発明によるマイクロポンプは、液体を通す管路に上述の構成を有するマイクロモータを備え、前記ロータの回転により前記管路中の液体の流れを操作する。 The micropump according to the present invention includes the micromotor having the above-described configuration in a pipe line through which liquid passes, and operates the flow of liquid in the pipe line by rotation of the rotor.
さらに、本発明によるマイクロバルブは、液体を通す管路に上述の構成を有するマイクロモータを備え、前記ロータの回転及び所定の位置での停止により前記管路中の液体の流れを操作する。 Further, the microvalve according to the present invention includes the micromotor having the above-described configuration in the pipe line through which the liquid passes, and operates the flow of the liquid in the pipe line by the rotation of the rotor and the stop at a predetermined position.
以上説明したように、本発明のマイクロポンプないしモータにおいては、ロータの光トラップ部に当てる光を適当に移動させることによりトラップ部を移動させてロータを移動回転させる構成であるので、比較的簡便な構成でもって柔軟な態様でロータを回転させることが可能となる。よって、こうしたマイクロモータを備えるマイクロポンプでは、液体ないしその中の物体を柔軟な態様で送ることができる。 As described above, in the micropump or motor of the present invention, the configuration is such that the rotor is moved and rotated by appropriately moving the light applied to the light trapping portion of the rotor. With this configuration, the rotor can be rotated in a flexible manner. Therefore, in the micro pump provided with such a micro motor, the liquid or the object in it can be sent in a flexible manner.
以下に、添付図面を参照し、実施例を挙げて本発明の実施の形態を具体的に説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１にかかるマイクロポンプの模式図である。図２は、レーザ光を移動させる手段の一例の模式図である。これらの図は上面図であり、レーザ光４は紙面に垂直な方向から照射されるが、図中では説明のために横方向にレーザ光４を描いている。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings.
(Example 1)
FIG. 1 is a schematic diagram of a micropump according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram of an example of means for moving the laser beam. These drawings are top views, and the laser beam 4 is irradiated from a direction perpendicular to the paper surface.
本実施例において、ガラスなどのレーザ光を透過する材質で作成された微細な管路１の一部（円筒形のチャンバ部１ａ）に、マイクロモータであるロータ１５が封入されている。ロータ１５は、ポリスチレンなどから成る光トラップ用の球形のビーズ２と液体を送るための羽根部３から成っている。ビーズ２の屈折率は周辺の媒質、つまりトラップ部と境界面を接する媒質（液体）と異なる様に設定されている。本実施例の羽根部３は樹脂などで形成され、回転中心部から半径方向外方に等角度間隔（９０度間隔）で４方向に伸びている。そして、放射状に伸びた各羽根部３にビーズ２が固着されている。図１では、羽根部３は４方向に伸び、４個のビーズ２が付着されているが、回転中心軸に対して回転対称になっていれば、４方向、４個に限られるものではない。羽根部３は、液体中にあって回転しても、目的（どの程度の粘性の液体を送るのか、液体中の細胞などの物体を送るのか等）に応じた程度に形を保てる位には剛体的である。また、羽根部３の径は、その端が円筒形のチャンバ部１ａの壁面に軽く接する程度か、多少の隙間がある程度の大きさである。あまり強く接しても回転時の摩擦抵抗が大きくなって不都合であるし、逆に隙間があり過ぎてもポンプとしての効率が低下して好ましくない。ただし、液体そのものではなく液体中の細胞（数ミクロンから百ミクロン程度の大きさである）などを送るのに用いられる場合は、羽根部３の端と円筒形チャンバ部１ａの壁面との隙間から細胞などが擦り抜けなければよいので、それに応じて羽根部３の径を設計すればよい。たとえば、赤血球であれば大きさ８μｍ程度であるが、扁平な形状であるため、１μｍ以下の隙間が要求される。最も大きな細胞である卵細胞は100μｍほどの大きさがあるため、２０〜３０μｍ程度の隙間があっても十分機能しうる。 In this embodiment, a rotor 15 that is a micromotor is enclosed in a part (cylindrical chamber portion 1a) of a fine pipe 1 made of a material that transmits laser light such as glass. The rotor 15 includes a spherical bead 2 for optical trap made of polystyrene or the like and a blade portion 3 for sending a liquid. The refractive index of the beads 2 is set to be different from that of the surrounding medium, that is, the medium (liquid) in contact with the trap portion and the boundary surface. The blade portion 3 of this embodiment is formed of resin or the like, and extends in four directions at equal angular intervals (90-degree intervals) radially outward from the center of rotation. And the bead 2 is being fixed to each blade | wing part 3 extended radially. In FIG. 1, the blade portion 3 extends in four directions and four beads 2 are attached. However, if the blade portion 3 is rotationally symmetric with respect to the rotation center axis, the number is not limited to four in four directions. . Even if the wing part 3 is in a liquid and rotates, it can keep its shape to a degree according to the purpose (how much viscous liquid is sent, whether an object such as a cell in the liquid is sent). It is rigid. Further, the diameter of the blade portion 3 is such that the end thereof is lightly in contact with the wall surface of the cylindrical chamber portion 1a, or some gap is of a certain size. Even if the contact is too strong, the frictional resistance at the time of rotation is increased, which is disadvantageous. On the contrary, if there is an excessive gap, the efficiency as a pump is lowered, which is not preferable. However, when it is used to send not only the liquid itself but also the cells in the liquid (having a size of several microns to a hundred microns), the gap between the end of the blade portion 3 and the wall surface of the cylindrical chamber portion 1a. Since the cells and the like need not be worn through, the diameter of the blade portion 3 may be designed accordingly. For example, in the case of red blood cells, the size is about 8 μm, but since the shape is flat, a gap of 1 μm or less is required. Egg cells, which are the largest cells, have a size of about 100 μm and can function sufficiently even with a gap of about 20 to 30 μm.
図２を用いて上記マイクロポンプの動作を説明する。羽根部３上のビーズ２にはロータ１５の回転中心軸にほぼ平行な方向（紙面に垂直な方向）からのレーザ光４が照射され、ロータ１５は管路１のチャンバ部１ａ中の所定の位置にトラップ位置決めされる。レーザ光４は、レーザ光源１６ａから照射された光を平行レンズ１７ａ及び集光レンズ１８ａを介してガルバノミラー１９ａにより照射位置を変更可能になっており、複数のビーズ２を順次トラップすることができる。また、複数のレーザ光源１６ａ、１６ｂを用いて、レーザ光源１６ａ、１６ｂから照射された光でもって、それぞれ平行レンズ１７ａ、１７ｂ及び集光レンズ１８ａ、１８ｂを介してガルバノミラー１９ａ、１９ｂにより同時に複数のビーズ２をトラップしてもよい。ビーズ２をトラップしたままレーザ光４を移動させると、それにつれてビーズ２を備えるロータ１５も移動する。ロータ１５の回転中心軸にほぼ平行な状態を保ちつつレーザ光４を円形状（図１中の黒塗りの矢印参照）に移動させることにより、ビーズ２を円運動させられ、従ってロータ１５をその中心部の回りで回転させられる。レーザ光４を円形状に移動させるには、互いに直交する回転軸を持ち適当に回転位相を設定された２つのガルバノミラー１９ａ、１９ｂなどの偏向器でレーザ光源からの光を偏向すればよい。安定した回転中心の回りで滑らかに回転させるためには、トラップして円形運動させるビーズ２を順次切り替えるか、複数のレーザ光４を用いて同時に複数のビーズ２をトラップして円形運動させることが望ましい。たとえば、回転中心に対して対称の位置にある２つのビーズ２に対して、一方のビーズにレーザ光を照射して回転方向に移動させた後、レーザ光を切り替えてもう一方のビーズにレーザ光を照射して回転方向に移動させる、ということをできるだけ短い間隔で連続的に繰り返すことにより滑らかに回転させることが可能である。あるいは、２つのレーザ光を同時に照射し、これらのレーザ光を回転方向に移動させることによって、ロータ１５に対して偶力が発生するため、滑らかに回転させることが可能である。この場合、ロータ１５の回転中心軸はレーザ光４の照射方向とほぼ一致する（ほぼ平行）ようになる。 The operation of the micropump will be described with reference to FIG. The beads 2 on the blade portion 3 are irradiated with a laser beam 4 from a direction substantially parallel to the rotation center axis of the rotor 15 (a direction perpendicular to the paper surface). The trap is positioned in position. The irradiation position of the laser beam 4 can be changed by the galvano mirror 19a through the parallel lens 17a and the condenser lens 18a, and the plurality of beads 2 can be trapped sequentially. . Further, a plurality of laser light sources 16a and 16b are used, and the light emitted from the laser light sources 16a and 16b is simultaneously used by the galvanometer mirrors 19a and 19b via the parallel lenses 17a and 17b and the condenser lenses 18a and 18b, respectively. The beads 2 may be trapped. When the laser beam 4 is moved while the beads 2 are trapped, the rotor 15 including the beads 2 is also moved accordingly. By moving the laser beam 4 in a circular shape (see the black arrow in FIG. 1) while maintaining a state substantially parallel to the rotation center axis of the rotor 15, the beads 2 can be moved in a circular motion. Rotated around the center. In order to move the laser light 4 in a circular shape, the light from the laser light source may be deflected by a deflector such as two galvanometer mirrors 19a and 19b having rotation axes orthogonal to each other and appropriately set in rotation phases. In order to smoothly rotate around a stable rotation center, the beads 2 to be trapped and circularly moved are sequentially switched or a plurality of beads 2 are simultaneously trapped and circularly moved by using a plurality of laser beams 4. desirable. For example, after irradiating one bead with laser light and moving it in the rotation direction with respect to two beads 2 that are symmetrical with respect to the center of rotation, the laser light is switched to the other bead. It is possible to rotate smoothly by repeating the process of irradiating and moving in the rotation direction at intervals as short as possible. Alternatively, by irradiating two laser beams at the same time and moving these laser beams in the rotation direction, a couple is generated with respect to the rotor 15, so that it can be rotated smoothly. In this case, the rotation center axis of the rotor 15 is substantially coincident (substantially parallel) with the irradiation direction of the laser beam 4.
ロータ１５の回転方向、回転角度、回転速度、回転の断続はレーザ光４の移動を制御することにより、自由に制御可能である。レーザ光４を移動させなければ、ビーズ２をトラップしたままの状態で、ロータ１５の回転を停止することができる。また、レーザ光強度をトラップに十分な大きさに保ったままで、ロータ１５を低速で回転させることも可能である。回転角度も自由に制御可能であるので、ステッピングモータ的に所定の位置でロータ１５を位置決めするような使い方も可能である。ロータ１５の回転速度を変えるために、レーザ光４の強度を変える必要もない。ただし、液体中のロータ１５の最大速度は、レーザ光４の強度（これによりビーズ２のトラップ力が決まり、それが耐えられるロータ１５の最大回転速度が決まる）、管路１中の流体抵抗、流体の粘性などによって制限される。 The rotation direction, rotation angle, rotation speed, and intermittent rotation of the rotor 15 can be freely controlled by controlling the movement of the laser beam 4. If the laser beam 4 is not moved, the rotation of the rotor 15 can be stopped while the beads 2 are still trapped. It is also possible to rotate the rotor 15 at a low speed while keeping the laser light intensity sufficiently large for the trap. Since the rotation angle can also be freely controlled, it is possible to use the rotor 15 at a predetermined position like a stepping motor. There is no need to change the intensity of the laser beam 4 in order to change the rotational speed of the rotor 15. However, the maximum speed of the rotor 15 in the liquid is the intensity of the laser beam 4 (which determines the trapping force of the beads 2 and the maximum rotation speed of the rotor 15 that can withstand it), the fluid resistance in the pipe line 1, Limited by fluid viscosity.
本発明のマイクロポンプの構成は、例えば、マイクロマシン技術を利用することで化学分析、合成などの機器や手法を微細化することを可能にした医療用等のμ−TAS（μ−total analysis system）に用いられるマイクロチップの流体制御機構として用いられ得る。また、自由にロータ１５の回転角度を制御できることを利用し、液体だけでなく、媒質中に浮遊する細胞などの物体を順次送るといった用途にも使用可能である。 The configuration of the micropump of the present invention is, for example, a μ-TAS (μ-total analysis system) for medical use and the like that enables miniaturization of equipment and methods such as chemical analysis and synthesis by utilizing micromachine technology. It can be used as a fluid control mechanism of a microchip used for the above. Further, by utilizing the fact that the rotation angle of the rotor 15 can be freely controlled, it is possible to use not only the liquid but also an object such as sequentially sending an object such as a cell floating in the medium.
本発明のマイクロポンプをマイクロツールとして用いる場合には、図１、図２に示す様に、管路１の適当な個所にレーザトラップ用の位置決めビーズ１０を配置する。ビーズ１０をレーザトラップすることにより、媒質中で上記マイクロポンプを自由に位置決めできる。複数の位置決めビーズ１０を備えることにより、マイクロポンプを任意の姿勢に位置決めすることが可能となる。また、ロータ１５上のビーズ２に当てる流体制御用のレーザ光４と位置決めビーズ１０に当てるトラップ用のレーザ光の光源は共用できるので（なぜなら、流体制御用のレーザ光４もトラップ作用を行うので、それに応じた強度を持つ必要があり、且つそれでもロータ１５の低速回転等には差し支えないからである）、マイクロポンプ位置決め用に特別な装置を付加する必要はなく、装置構成を簡略化できる。 When the micropump of the present invention is used as a microtool, as shown in FIGS. 1 and 2, a positioning bead 10 for laser trap is disposed at an appropriate location in the pipe 1. By laser trapping the beads 10, the micropump can be freely positioned in the medium. By providing the plurality of positioning beads 10, the micropump can be positioned in an arbitrary posture. Further, since the laser light source 4 for fluid control applied to the beads 2 on the rotor 15 and the light source for the trapping laser light applied to the positioning beads 10 can be shared (because the laser light 4 for fluid control also performs a trap action). It is necessary to have a strength corresponding to that, and still there is no problem in rotating the rotor 15 at a low speed, etc.), it is not necessary to add a special device for positioning the micropump, and the device configuration can be simplified.
また、従来から用いられているメカニカルマニピュレータとは異なり、レーザトラップではマイクロポンプが顕微鏡視野に対して位置決めされるため、高精度かつ容易にマイクロポンプを位置決めすることができる。高さ方向についても、レーザ光の焦点位置に自動的に位置決めビーズが整列するため、容易に顕微鏡視野と同じ高さにマイクロポンプを位置決めすることができる。 Further, unlike a mechanical manipulator conventionally used, in the laser trap, the micropump is positioned with respect to the microscope visual field, so that the micropump can be positioned with high accuracy and easily. Also in the height direction, since the positioning beads are automatically aligned at the focal position of the laser beam, the micropump can be easily positioned at the same height as the microscope field of view.
ところで、本実施例の光マイクロモータにおいて、ロータの回転中心部にも光トラップ部であるビーズを配置し、ここに回転中心軸にほぼ平行な方向からの光ビームを固定的に照射してロータの回転中心部の位置をほぼ不動にすることもできる。この場合は、ロータの回転中心部を不動状態に置いているので、回転中心部以外の少なくとも１個所に配置されたビーズを回転中心軸にほぼ平行な方向からの光ビームで照射してこの光ビームを回転中心軸の回りで移動させれば、ロータを制御性良く滑らかに回転させられる。 By the way, in the optical micromotor of this embodiment, beads that are optical traps are also arranged at the rotation center of the rotor, and a light beam from a direction substantially parallel to the rotation center axis is fixedly irradiated to the rotor. It is also possible to make the position of the center of rotation almost stationary. In this case, since the rotation center portion of the rotor is placed in an immobile state, beads arranged at least at one place other than the rotation center portion are irradiated with a light beam from a direction substantially parallel to the rotation center axis. If the beam is moved around the rotation center axis, the rotor can be smoothly rotated with good controllability.
（実施例２）
図３(a)及び(ｂ)は本発明の実施例２にかかるマイクロポンプないしモータの動作原理を説明する図である。図３(a)に示すように、２連のビーズ２に部分的にかかる様にレーザ光４を照射した場合、図３(ｂ)に示すように、レーザ光４の照射方向に最短距離でビーズ２の長軸方向が揃うようにビーズ２が回転することが知られている。長軸方向を持つ楕円形状等のビーズでも同様の現象が見られる。
(Example 2)
FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining the operating principle of the micropump or motor according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3 (a), when the laser beam 4 is irradiated so as to partially affect the two beads 2, as shown in FIG. 3 (b), the irradiation direction of the laser beam 4 is at the shortest distance. It is known that the beads 2 rotate so that the major axis directions of the beads 2 are aligned. The same phenomenon can be seen with elliptical beads having a major axis direction.
図４は、本発明の実施例２にかかる楕円形状のビーズ２を用いたマイクロポンプの模式図である。本実施例は上記の原理に基づいたものである。本図では、図で描く通りにレーザ光４の照射方向は紙面内の方向（ロータ１５の回転中心軸にほぼ直交する方向）である。 FIG. 4 is a schematic diagram of a micropump using elliptical beads 2 according to Example 2 of the present invention. This embodiment is based on the above principle. In this figure, as shown in the figure, the irradiation direction of the laser beam 4 is a direction in the drawing (a direction substantially perpendicular to the rotation center axis of the rotor 15).
本実施例は、ロータ１５の回転中心部の回りに、楕円状のビーズ２（図３の２連のビーズ２などでもよい）を３組以上（図示例では３組）等角度間隔的に角度を変えて備えた点が実施例１と異なる。これらの楕円状のビーズ２は、紙面垂直方向に少しずつずれて中心部で重なってロータ１５の回転中心軸上に直交方向に伸びて設けられている。楕円状のビーズ２は、光トラップによって位置のみならず長軸方向もレーザ光４の軸と一致するようになる。これによってロータ１５を回転できるのであるが、自由な方向に制御性良く回転させるためには、少なくとも３組のビーズ２を例えば６０度ずつ長軸方向を変えて連結することが必要である。なぜなら、２組のビーズを９０度角度間隔で連結した場合、トラップするビーズを一方から他方に移す際にレーザ光の軸とビーズの長軸が直交してしまって、ビーズが何れの方向に回転してレーザ光と軸が揃うかは安定的には決まらなくなり、ロータの回転が不安定になるからである。 In the present embodiment, three or more pairs (three pairs in the illustrated example) of elliptical beads 2 (three pairs in FIG. 3) are arranged at equal angular intervals around the rotation center portion of the rotor 15. This is different from the first embodiment in that the difference is provided. These elliptical beads 2 are provided so as to be shifted little by little in the direction perpendicular to the plane of the paper and overlap each other at the center, extending in the orthogonal direction on the rotation center axis of the rotor 15. The elliptical bead 2 comes to coincide with the axis of the laser beam 4 not only in the position but also in the long axis direction by the optical trap. Thus, the rotor 15 can be rotated. In order to rotate the rotor 15 in a free direction with good controllability, it is necessary to connect at least three sets of beads 2 by changing the major axis direction by 60 degrees, for example. Because, when two sets of beads are connected at an angle of 90 degrees, when moving the trapped beads from one to the other, the axis of the laser beam and the long axis of the beads are orthogonal, and the beads rotate in either direction. This is because it cannot be determined stably whether the laser beam and the axis are aligned, and the rotation of the rotor becomes unstable.
本実施例の動作は次の様になる。照射方向が紙面内の方向であるレーザ光４を紙面垂直方向にずらして行って３組のビーズ２を順次トラップしていくことにより、６０度ずつの角度でロータ１５を回転させることができる。すなわち、図４の状態からレーザ光４を紙面垂直下方に少しずらして、例えば、右上側から左下側に伸びるビーズ２と同じ平面にレーザ光４を持って来ると、このビーズ２はレーザ光４と軸を揃えようとして反時計方向に６０度回転する。他方、左上側から右下側に伸びるビーズ２と同じ平面にレーザ光４を持って来ると、同じくこのビーズ２はレーザ光４と軸を揃えようとして今度は時計方向に６０度回転する。この様に、レーザ光４をどのビーズ２と同じ平面に持って来るかによって、ロータ１５の回転方向と回転角ステップを制御できる。従って、実施例１と異なり、レーザ光４は各ビーズ２の位置だけを離散的にトラップするだけでよい。よって、光源からの光の照射方向の制御機構は簡単なものとなる。上記した様に、ロータ１５の回転中心軸はレーザ光４の照射方向に直交する方向（紙面垂直方向）となる。 The operation of this embodiment is as follows. The rotor 15 can be rotated at an angle of 60 degrees by sequentially shifting the laser beam 4 whose irradiation direction is the in-paper direction in the direction perpendicular to the paper surface and trapping the three sets of beads 2 sequentially. That is, when the laser beam 4 is slightly shifted from the state of FIG. 4 vertically downward on the page, and the laser beam 4 is brought into the same plane as the bead 2 extending from the upper right side to the lower left side, for example, the bead 2 is moved to the laser beam 4. And rotate 60 degrees counterclockwise to align the axes. On the other hand, when the laser beam 4 is brought in the same plane as the bead 2 extending from the upper left side to the lower right side, the bead 2 is rotated 60 degrees clockwise this time so as to align the axis with the laser beam 4. In this way, the rotation direction and the rotation angle step of the rotor 15 can be controlled depending on which bead 2 the laser beam 4 is brought into on the same plane. Therefore, unlike the first embodiment, the laser beam 4 need only trap the positions of the beads 2 discretely. Therefore, the control mechanism of the irradiation direction of the light from the light source becomes simple. As described above, the rotation center axis of the rotor 15 is a direction (perpendicular to the paper surface) perpendicular to the irradiation direction of the laser beam 4.
本実施例の動作は、２連あるいは楕円ビーズの組の数によってステップ数が決まるステッピングモータ的な動作になる。３組のビーズを使えば６０度ごと、４組のビーズを使えば４５度ごと等々となる。その他の点は実施例１と同様である。 The operation of this embodiment is a stepping motor operation in which the number of steps is determined by the number of double or elliptical bead sets. If you use 3 sets of beads, every 60 degrees, if you use 4 sets of beads, every 45 degrees, and so on. Other points are the same as in the first embodiment.
ところで、本実施例の光マイクロモータにおいて、ロータ１５の回転中心軸上に該軸と直交する方向を長軸方向とする形状の光トラップ部を１つだけ配置し、ここに回転中心軸にほぼ直交する方向からの光ビームを照射し、この光ビームを回転中心軸の回りで切り換える回転移動方法も可能である。このとき、光トラップ部は、切り換わる光ビーム照射方向にその長軸方向を最短距離で合わせる様に回転中心軸の回りに移動して該光トラップ部と共にロータを回転中心軸の回りに回転させるので、ステッピングモータ的な動作ができる。等角度間隔で切り換わって照射される光ビームの数は設計に応じて決めればよく、これに応じて必要な数の光源を用意する。この方法では、ビーズの数は少なくでき、光ビームを移動させる必要はないが、光源が複数個必要とされる。 By the way, in the optical micromotor of the present embodiment, only one optical trap portion having a major axis in the direction orthogonal to the rotation axis is disposed on the rotation center axis of the rotor 15, and the rotation center axis is approximately here. A rotational movement method is also possible in which a light beam from an orthogonal direction is irradiated and this light beam is switched around the rotation center axis. At this time, the optical trap unit moves around the rotation center axis so that the major axis direction is aligned with the switching light beam irradiation direction at the shortest distance, and rotates the rotor around the rotation center axis together with the optical trap unit. Therefore, it can operate like a stepping motor. The number of light beams irradiated by switching at equal angular intervals may be determined according to the design, and a necessary number of light sources are prepared according to this. In this method, the number of beads can be reduced and it is not necessary to move the light beam, but a plurality of light sources are required.
また、所定の位置（角度）で位置決め可能な特徴を用いて、バルブとして使用することも可能である。管路に対して、縦横に向きを変えることによって、流体をせき止める開閉弁として使うことも可能である。また、流体の流れる管路を切り替える切り替え弁として使うことも可能である。 Moreover, it can also be used as a valve by using a feature that can be positioned at a predetermined position (angle). It can also be used as an on-off valve to dampen fluid by changing the direction vertically and horizontally with respect to the pipeline. Further, it can be used as a switching valve for switching a pipeline through which a fluid flows.
以上説明したように、本発明のマイクロポンプないしモータにおいては、ロータの光トラップ部に当てる光を適当に移動させたり、切り換えることによりトラップ部を移動させてロータを移動回転させる構成であるので、比較的簡便な構成でもって柔軟な態様でロータを回転させることが可能となる。よって、こうしたマイクロモータを備えるマイクロポンプでは、液体ないしその中の物体を柔軟な態様で送ることができる。 As described above, in the micropump or motor of the present invention, it is configured to move or rotate the rotor by moving the trap part by appropriately moving or switching the light applied to the light trap part of the rotor, The rotor can be rotated in a flexible manner with a relatively simple configuration. Therefore, in the micro pump provided with such a micro motor, the liquid or the object in it can be sent in a flexible manner.
また、本発明によるマイクロモータにおけるロータは、回転中心軸上の回転中心部以外の少なくとも１個所に光ビームによりトラップされる光トラップ部を有するロータと、回転中心軸にほぼ平行な方向から該光トラップ部に照射する少なくとも１つの光ビームと、前記光トラップ部と共に前記ロータが回転中心軸の回りで回転する様に、光ビームを回転中心軸の回りで移動させるか切り換える手段を有するように構成され得る。さらに具体的には、前記ロータは、回転中心軸に対して回転対称となるように配置された光トラップ部としての複数個の光トラップ用ビーズを有し得る（上記実施例１参照）。この場合は、回転中心軸上の中心部には光トラップ部を備えず、その回りに複数の光トラップ部を備える。他方、前記ロータは、その回転中心軸上の中心部にも光ビームによりトラップされる光トラップ部を有し得る。この場合は、中心部の光トラップ部はロータ中心部の位置をほぼ不動に保つのに用いるので、その他の光トラップ部は少なくとも１つ備えれば済み、ここに回転中心軸の回りで移動する光ビームを照射すればよい。 Further, the rotor in the micromotor according to the present invention includes a rotor having an optical trap portion trapped by a light beam at at least one place other than the rotation center portion on the rotation center axis, and the light from a direction substantially parallel to the rotation center axis. And at least one light beam for irradiating the trap part, and means for switching whether to move the light beam around the rotation center axis so that the rotor rotates about the rotation center axis together with the light trap part. Can be done. More specifically, the rotor may have a plurality of optical trap beads as an optical trap portion arranged so as to be rotationally symmetric with respect to the rotation center axis (see Example 1 above). In this case, the optical trap part is not provided in the central part on the rotation center axis, and a plurality of optical trap parts are provided around the central part. On the other hand, the rotor may have an optical trap portion that is trapped by a light beam at a central portion on the rotation center axis thereof. In this case, since the optical trap part at the center is used to keep the position of the central part of the rotor substantially stationary, it is sufficient to provide at least one other optical trap part, which moves around the rotation center axis. What is necessary is just to irradiate a light beam.
また、前記ロータは、回転中心軸上の回転中心部から半径方向外方に伸びた複数の羽根部を有し、少なくとも１つの羽根部に前記光トラップ部としての光トラップ用ビーズが固着されている構成を採り得る。複数の羽根部は、等角度間隔で放射状に伸びる様にもできる（上記実施例１参照）。 The rotor has a plurality of blade portions extending radially outward from a rotation center portion on the rotation center axis, and an optical trap bead as the light trap portion is fixed to at least one blade portion. It can take the composition which is. The plurality of blades can be extended radially at equal angular intervals (see Example 1 above).
さらに、前記ロータは、回転中心軸上の回転中心部に、光ビームによりトラップされる該軸と直交する方向を長軸方向とする形状の光トラップ部を少なくとも１つ有し、該光トラップ部が、回転中心軸にほぼ直交する方向からの光ビームで照射されるときにその長軸方向を光ビームの照射方向に合わせる様に回転中心軸の回りに最短距離で移動して該光トラップ部と共にロータを回転中心軸の回りで回転させる様に形成されている構成も採り得る。より具体的には、前記ロータは、光トラップ部として３組以上の複数連（代表的には２連）あるいは楕円ビーズを備え、これらのビーズは、その長軸方向がロータの回転中心軸と直交しかつ等角度間隔になるように配置されている構成を採り得る（上記実施例２参照）。こうした場合、光を照射する光トラップ部を順次変更したり（この場合は複数の光トラップ部を備える必要がある）、或いは光トラップ部を照射する光ビームを切り換えたりする（この場合は少なくとも１つの光トラップ部を備えればよい）ことによってロータを移動回転させるので、ステッピングモータと同様の動作も可能となる。 Further, the rotor has at least one light trap portion having a shape whose major axis is a direction perpendicular to the axis trapped by the light beam at the rotation center portion on the rotation center axis, and the light trap portion. Is moved by the shortest distance around the rotation center axis so that the major axis direction matches the irradiation direction of the light beam when irradiated with the light beam from a direction substantially orthogonal to the rotation center axis. In addition, a configuration in which the rotor is configured to rotate around the rotation center axis may be employed. More specifically, the rotor includes three or more pairs (typically two) or elliptical beads as an optical trap part, and the long axis direction of these beads is the rotation center axis of the rotor. A configuration may be adopted in which they are arranged so as to be orthogonal and at equal angular intervals (see Example 2 above). In such a case, the light trap part that irradiates light is sequentially changed (in this case, it is necessary to provide a plurality of light trap parts), or the light beam that irradiates the light trap part is switched (in this case at least 1). Since the rotor is moved and rotated by the provision of two optical trap portions, the same operation as that of the stepping motor is possible.
更に、本発明のマイクロポンプは、液体を通す管路に上記の光マイクロモータを有するマイクロポンプであって、ロータの回転により該管路中の液体の流れの操作を行うことを特徴とする。柔軟、自由な態様でロータを回転させられる上記のマイクロモータを備えるマイクロポンプでは、液体ないしその中の物体を柔軟、自由な態様で送ることができる。よって、微量な流体の柔軟な操作も容易に可能となる。 Furthermore, a micropump of the present invention is a micropump having the above-described optical micromotor in a pipe line through which liquid passes, and is characterized in that the flow of liquid in the pipe line is operated by rotation of a rotor. In the micropump having the above-described micromotor that can rotate the rotor in a flexible and free manner, the liquid or an object in the liquid can be sent in a flexible and free manner. Therefore, flexible operation of a small amount of fluid can be easily performed.
前記管路に複数個の位置決め光トラップ部を備え、該位置決め光トラップ部の光トラップによりマイクロポンプ自体を位置決め可能とできる。よって、特別の設備を追加することなく光トラップによりマイクロポンプ本体を容易にかつ自由、柔軟に位置決め可能とできる。 A plurality of positioning light trap portions are provided in the pipe line, and the micro pump itself can be positioned by the light traps of the positioning light trap portions. Therefore, the micropump main body can be easily, freely and flexibly positioned by the optical trap without adding special equipment.
更に、本発明のマイクロバルブは、液体を通す管路に上記の光マイクロモータを有するマイクロバルブであって、ロータの回転により該管路中の液体の流れの操作を行うことを特徴とする。前記管路に複数個の位置決め光トラップ部を備え、該位置決め光トラップ部の光トラップによりマイクロバルブ自体を位置決め可能とできる。 Furthermore, a microvalve of the present invention is a microvalve having the above-described optical micromotor in a pipe line through which liquid passes, and is characterized in that the flow of liquid in the pipe line is operated by rotation of a rotor. A plurality of positioning light trap portions are provided in the pipe line, and the microvalves themselves can be positioned by the light traps of the positioning light trap portions.
１ 管路
１ａ チャンバ部
２ ビーズ（光トラップ部）
３ 羽根部
４ レーザ光（光ビーム）
１０ 位置決めビーズ（位置決め光トラップ部）
１５ ロータ
1 Pipeline 1a Chamber part 2 Beads (light trap part)
3 Blade 4 Laser light (light beam)
10 Positioning beads (Positioning light trap)
15 Rotor
Claims (14)
光ビームを発生するビーム発生部と、前記ビーム発生部によって発生した前記光ビームの照射を制御するビーム照射制御部と、光ビームによりトラップされる光トラップ部を少なくとも１箇所に有するロータと、を備え、
前記ビーム照射制御部は、前記光トラップ部に少なくとも１つの光ビームを照射し、前記光ビームによって前記光トラップ部を保持することによって、前記回転中心軸を所定位置に位置決めし、
さらに、前記ビーム照射制御部は、前記光トラップ部と共に前記ロータが前記回転中心軸の回りで回転する様に前記光ビームを移動させることを特徴とする光マイクロモータ。 An optical micromotor having a rotor that rotates about a rotation center axis,
A beam generation unit for generating a light beam, a beam irradiation control unit for controlling irradiation of the light beam generated by the beam generation unit, and a rotor having at least one light trap unit trapped by the light beam, Prepared,
The beam irradiation control unit irradiates the optical trap unit with at least one light beam and holds the optical trap unit with the light beam, thereby positioning the rotation center axis at a predetermined position,
Further, the beam irradiation control unit moves the light beam so that the rotor rotates together with the optical trap unit around the rotation center axis.
該光トラップ部は、前記回転中心軸にほぼ直交する方向からの光ビームで照射されるときにその長軸方向を光ビームの照射方向に合わせる様に回転中心軸の回りに最短距離で移動して該光トラップ部と共にロータを回転中心軸の回りで回転させる様に形成されている請求項１記載の光マイクロモータ。 The rotor has at least one light trap portion having a shape whose major axis is a direction perpendicular to the axis trapped by the light beam at a rotation center portion on the rotation center axis,
The light trap part moves at the shortest distance around the rotation center axis so that the major axis direction matches the irradiation direction of the light beam when irradiated with the light beam from a direction substantially perpendicular to the rotation center axis. 2. The optical micromotor according to claim 1, wherein the optical micromotor is configured to rotate together with the optical trap portion around a rotation center axis.
チャンバ部と、前記チャンバ部に接続されている管路と、前記チャンバ部内に設けられたロータであって、光ビームによりトラップされる光トラップ部を少なくとも１箇所に有するロータと、を備え、
前記光トラップ部に前記光ビームが照射されると前記光トラップ部が保持されて前記回転中心軸が所定位置に位置決めされ、さらに、前記光ビームに対して所定の移動制御がなされると前記光トラップ部と共に前記ロータが前記回転中心軸の回りで回転することを特徴とする光マイクロモータ。 An optical micromotor having a rotor that rotates about a rotation center axis,
A chamber part, a pipe connected to the chamber part, and a rotor provided in the chamber part, the rotor having at least one light trap part trapped by a light beam,
When the light trap is irradiated with the light beam, the light trap is held, the rotation center axis is positioned at a predetermined position, and when the light beam is subjected to predetermined movement control, the light An optical micromotor, wherein the rotor rotates together with the trap portion around the rotation center axis.
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